Scienty

Фото: img.freepik.com

Специалисты из ГАИШ МГУ разработали метод проверки формы аккреционных дисков, окружающих черные дыры в двойных рентгеновских системах. Для этого они используют анализ поляризации данных, полученных в рамках миссии Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Полученные на телескопе IXPE наблюдения нескольких рентгеновских двойных систем с черными дырами и одной сейфертовской галактики первого типа согласуются с теоретическими расчетами, указывающими на то, что аккреционные диски в подобных объектах имеют плоскую структуру.

Специалисты из МГУ представили теоретическое объяснение возникновения линейной поляризации рентгеновского излучения в подобных источниках. Согласно их расчетам, величина линейной поляризации не связана с энергией фотонов и соответствует определенному угловому распределению, которое зависит от оптической глубины внутренних областей аккреционных дисков. Сопоставление полученных теоретических результатов с фактическими данными показало их высокую согласованность, что служит подтверждением плоской геометрии аккреционных дисков в рентгеновских двойных системах, где происходит аккреция вещества.

Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics.

Наблюдения за черными дырами, проведенные с использованием обсерватории IXPE, позволили ученым убедиться в ранее существовавших предположениях: рентгеновское излучение, исходящее от аккреционных дисков, поляризовано. При этом установлено, что поляризация носит линейный характер и определяется оптической толщиной диска, а также его расположением в пространстве. Эта закономерность была предсказана на основе теоретических вычислений, выполненных в соответствии с релятивистской теорией переноса излучения, еще в 1985 году советскими физиками Р.А. Сюняевым и Л.Г. Титарчуком. Задача данной работы заключается в том, чтобы показать, что ключевые физические характеристики этих галактических и внегалактических объектов можно определить, опираясь на измерения поляризации и анализ рентгеновских спектров. Установлено, что величина поляризации практически не изменяется в зависимости от энергии. Важно отметить, что подтверждение взаимосвязи между поляризацией, толщиной диска и его ориентацией позволяет сделать вывод о форме аккреционного диска – он имеет плоскую структуру.

В 1973 году Н.И. Шакура и Р.А. Сюняев предложили новаторскую концепцию формирования рентгеновского излучения в двойных звездных системах, включающих обычную звезду и компактный объект, такой как черная дыра. В настоящее время эта идея получила признание мирового астрономического сообщества и предполагает высвобождение рентгеновских квантов в процессе формирования аккреционного диска вокруг черной дыры, с учётом вязкости вещества звезды-донора, перетекающего на черную дыру. Изначально, при рассмотрении этого диска, его представляли в виде цилиндра с ровными верхней и нижней границами, что получило название «плоский диск». Это объясняется тем, что вращающееся вещество, падающее на центральный объект, например, на черную дыру, формирует диск в плоскости вращения под воздействием центростремительной и приливной сил. Впоследствии форма диска стала объектом теоретических математических исследований, в которых рассматривались различные варианты: от сфероидальной до плоской, с наличием выпуклостей или вогнутостей на верхней и нижней границах. Лишь сейчас, благодаря запуску поляризационного аппарата IXPE, появилась возможность эмпирически установить реальную форму этого диска.

Здесь также оказался полезен эффект поляризации рентгеновского излучения, который был предсказан еще в 1985 году Р.А. Сюняевым и Л.Г. Титарчуком. Рентгеновское излучение аккреционного диска демонстрирует зависимость от его формы. Например, в процессе комптонизации низкоэнергичных фотонов диска на электронах плазмы плоского диска оно может становиться линейно поляризованным. Пространственная ориентация диска относительно земного наблюдателя позволяет по-разному исследовать его внутреннюю структуру в зависимости от оптической толщины (которая определяется температурой плазмы, параметром комптонизации и другими факторами). Эти расчеты были выполнены в 1985 году и ожидали своего подтверждения или опровержения. В итоге, удалось сравнить расчеты с данными, полученными с помощью обсерватории IXPE, для ряда рентгеновских двойных систем и активных ядер галактик, что блестяще подтвердило верность подхода Р.А. Сюняева и Л.Г. Титарчука и, неожиданно, исключило множество предложенных моделей формы диска, оставив лишь «плоский диск». Это неожиданный результат, который был отложен на 40 лет из-за невозможности наблюдательной проверки обнаруженного эффекта поляризации.

Игнорировать новые данные о поляризации рентгеновского излучения черных дыр больше не представляется возможным – они требуют учета. Подтвержденный эффект, безусловно, повлечет за собой существенное переосмысление множества моделей аккреционных дисков, поскольку они могут не соответствовать результатам наблюдений.

Полученные данные дают астрофизикам возможность оценивать степень поляризации при расчете параметров моделей рентгеновского излучения. Этот результат позволяет подтвердить схожесть геометрии в различных рентгеновских двойных системах. Кроме того, это поможет глубже понять физику экстремальных объектов, например, черных дыр.

«Данные, полученные с помощью IXPE, позволили установить особенности поляризации и характеристики не только черных дыр звездной массы, но и сверхмассивных черных дыр. Установлено, что излучение последних также демонстрирует линейную поляризацию, возникающую в процессе комптонизации в горячей плазме плоского диска. Кроме того, подтверждена связь между степенью поляризации сверхмассивных черных дыр и ориентацией диска в пространстве », – поделилась Елена Сейфина, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ.

Информация предоставлена пресс-службой МГУ