Международная группа астрофизиков изучила вариации рентгеновского излучения и свечения в оптическом диапазоне приходящих к нам из окрестностей двух кандидатов в черные дыры (GX 339-4 и SWIFT J1753.5-0127), после чего им пришлось переоценивать роль современных теорий, описывающих механизм высвобождения энергии вблизи этих загадочных объектов. Удалось, в частности, продемонстрировать, что первостепенное значение в деле производства рентгеновских лучей имеют мощные магнитные поля, возникающие у самых границ черных дыр. Нужно отметить, что GX 339-4 и SWIFT J1753.5-0127 входят в состав двойных звездных систем, где содержатся обычные звезды, но на порядок превосходящие по массе наше Солнце. И эти системы гораздо компактнее орбиты Меркурия — ближайшей к Солнцу планеты Солнечной системы.
Наблюдения за «мерцанием» черных дыр проводились с помощью сразу двух различных приборов: за видимый диапазон отвечала новейшая британская быстродействующая камера ULTRACAM (www.shef.ac.uk/physics/people/vdhillon/ultracam), установленная на Очень Большом Телескопе (Very Large Telescope — VLT) Южной европейской обсерватории (European Southern Observatory, ESO, www.eso.org), способная записывать с высоким разрешением до 20 изображений в секунду, а за рентгеновский диапазон — спутник NASA Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE, http://heasarc.nasa.gov/docs/xte/rxte.html).
Возможность работы с достаточным временным и одновременно очень хорошим пространственным разрешением в оптическом диапазоне открылась лишь сравнительно недавно. Теперь рекордная частота кадров позволила разглядеть новые подробности. Неожиданным оказалось то, что интенсивность колебаний яркости в оптическом диапазоне была выше, чем в рентгене. Они немного не совпадали по времени (основной пик в оптике отставал от рентгена на 0,2 секунды), однако при этом демонстрировали явную взаимосвязь: мощные импульсы рентгеновского излучения следовали за «провалами» в оптике (которые также заканчивались мощными всплесками, см. график).
Конечно, ни один компонент излучения не исходит непосредственным образом от самой черной дыры, ведь природа этих объектов такова, что ничто не может покинуть пределы так называемого горизонта событий. Однако за его пределами, в окрестностях черной дыры, все-таки могут протекать различные бурные процессы, порождающие интенсивные потоки излучения и заряженных частиц. В результате яростного противоборства гравитационных и электромагнитных сил свет, испускаемый потоками раскаленного вещества, то усиливается, то приугасает, причем это происходит самым запутанным и случайным образом. В этом новом исследовании, без преувеличения, удалось обнаружить систему в полном хаосе, т.е. отыскать устойчивые структуры, позволяющие произвести отбор наилучших моделей для описания протекающих вблизи черных дыр физических процессов.
Если ранее большинство ученых было убеждено, что в окрестностях черных дыр излучение оптического диапазона можно считать чем-то вторичным, возникающим после рентгеновских вспышек из-за свечения окружающего газа, то теперь концепция изменилась. Ведущий автор этого исследования Пошак Ганди — индиец, в настоящее время работающий в Японии, -уверен в том, что у оптических и рентгеновских вспышек имеется одна общая причина и энергию они получают на паритетной основе. Ведь в противном случае любые оптические импульсы отставали бы по времени от вариаций рентгеновского излучения и имели бы меньшую амплитуду. Таким образом, новообнаруженное быстрое оптическое мерцание ставит крест на многих прежних сценариях — и это справедливо для обеих изученных систем черных дыр. Становится ясным, что вариации рентгеновского излучения и видимого света должны иметь единый источник, причем он находится где-то в непосредственной близости от черной дыры.
Лучшим кандидатом на роль ведущего механизма, позволяющего описать физические процессы, лежащие в основе всех этих вариаций, авторы исследования считают мощные магнитные поля. Выступая в качестве своего рода энергетического резервуара, магнитные поля могут накапливать энергию, высвобождаемую в окрестностях черной дыры, сохраняя ее до того момента, пока не наступит момент вспышки. Тогда нагретая до многих миллионов градусов плазма начнет испускать рентгеновские лучи, а потоки заряженных частиц, движущихся с релятивистскими (т.е. близкими к скорости света) скоростями, могут становиться причиной синхротронного (магнитотормозного) излучения. Обмен накопленной энергией между двумя этими компонентами как раз и способен приводить к столь характерному виду диаграммы, отражающей как интенсивность рентгеновского излучения, так и свечение в оптическом диапазоне.
М. Б.
- VLT and X-ray satellite join forces to probe flickering black holes (Poshak Gandhi’s homepage) — www-xray.ast.cam.ac.uk/~pg/ flickering/.
- VLT and Rossi XTE satellite probe violently variable black holes (ESO — Press Releases) — www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2008/pr-36-08.html.
- Rapid optical and X-ray timing observations of GX 339-4: flux correlations at the onset of a low/hard state — http://arxiv.org/abs/0807.1529
- SWIFT J1753.5-0127: a surprising optical/X-ray cross-correlation function — http://arxiv.org/abs/0806.2530.