Исходящие из окрестностей чёрных дыр релятивистские струи значительно мощнее, чем считалось

Это может означать, что окрестности испускают гораздо больше нейтрино высоких энергий и космических лучей.

Значительная часть материи, падающей в активно питающуюся чёрную дыру (ЧД), выбрасывается из её окрестностей в составе мощных релятивистских (летящих с околосветовой скоростью) струй, или джетов. Но конкретные параметры этих струй во многом остаются загадкой. Так, их энергия зависит от массы частиц, ускоряемых в джете, ведь ускорить ионизированный водород — это одно, а более тяжёлый ионизированный атом — совсем другое.

Модель двойной системы ЧД — звезда; одной из таковых и является 4U 1630-47. (Здесь и ниже иллюстрации ICRAR / Riccardo Lanfranch.)

Группа учёных во главе с Марией Диаз Триго (María Díaz Trigo) из Европейской южной обсерватории (Чили) попробовала ликвидировать этот пробел. Для этого астрономы долгое время отслеживали в рентгеновском и радиодиапазоне двойную систему 4U 1630-47, состоящую из ЧД в несколько раз массивнее Солнца и обычной звезды, от которой ЧД постепенно забирает её вещество.

Используя разные телескопы, в том числе космический рентгеновский XMM-Newton, учёные отыскали в джете следы ионизированного железа. Ранее уже было известно, что, хотя струи содержат электроны, в целом их заряд не отрицателен. Следовательно, в них должно быть что-то ещё — несущее положительный заряд. Есть две основные гипотезы о носителях положительного заряда в джетах: 1) его несут позитроны (античастицы электронов), 2) его несут обычные атомы, лишённые электронов.

Система 4U 1630-47 во время первого наблюдения XMM-Newton выглядела спокойно, и всё рентгеновское изучение исходило только от аккреционного диска.

Хотя в системе SS 433 (как и в 4U 1630-47, здесь соседствуют ЧД и обычная звезда) в джетах уже регистрировались обычные частицы, сама она очень нетипична, и нельзя было с уверенностью сказать, что речь идёт о нормальном для релятивистских струй составе. С 4U 1630-47 такой проблемы нет, и фиксация в её струях ионизированного железа и никеля означает значимые сдвиги в изучении джетов.

Ну а при втором наблюдении она показала мощнейшие релятивистские струи, в которых нашлись следы ионизированного железа и никеля.

Позитроны, как и их античастицы электроны, обладает массой, в 2 000 раз уступающей протону, не говоря уже об атомах тяжёлых элементов, где протонов много. В частности, те железо и никель, что наблюдали астрономы в этот раз, по массе в 100 000 раз превосходят позитроны. Наличие таких атомов в джетах 4U 1630-47, имеющих скорость 198 000 км/с, говорит о том, что до релятивистских скоростей там разгоняются куда более тяжёлые частицы, чем считалось. А значит, прежние оценки энергии струй из окрестностей чёрных дыр были занижены — возможно, в тысячи раз.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Ars Technica.