аккреционные ветры чёрных дыр

Чёрная дыра в тесной паре со звездой-компаньоном работает как гравитационный насос: перетягивает газ соседки, закручивает его в светящийся аккреционный диск и время от времени выбрасывает часть вещества прочь двумя узкими релятивистскими струями — джетами.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

Космос полон криков, которых мы не слышим. Каждый раз, когда чёрная дыра разрывает звезду, рождается ослепительная вспышка, и часто — узкий релятивистский джет, бьющий на тысячи световых лет. Но если этот прожектор направлен в сторону от Земли, мы видим лишь слабый отсвет — радиоэхо, приходящее с задержкой.

Астрофизики десятилетиями выстраивали стройную картину: галактика, подобно гигантской карусели, вращается в едином ритме, и расположенная в её центре сверхмассивная чёрная дыра наследует этот танец.

Глубокий космос, центр галактики. Сверхмассивная чёрная дыра окружена раскалённым диском газа и пыли. И вот сквозь эту огненную вуаль с периодичностью в несколько часов проносится звезда — словно стрела, выпущенная из лука гравитации. Каждое её прохождение порождает ослепительную рентгеновскую вспышку, которая на миг затмевает свечение всего галактического ядра.

Представьте реку на перекате: поток ускоряется до того, что ни одна волна уже не пойдёт против течения. Так и газ у чёрной дыры: достигнув скорости звука, он запирает сам себя — рождается акустическая чёрная дыра, двойник гравитационной бездны. Здесь горизонт событий соткан из потока, быстрее собственного звука.

Чёрная дыра, словно прялка, закручивает вокруг себя облако из лёгких частиц — аксионов. Эти частицы — главные кандидаты на роль тёмной материи. Облако живёт по законам квантовой механики, напоминая огромный атом: есть уровни, есть переходы между ними. Только вместо электрических сил здесь работает гравитация.

Кастрюля с кипящей кашей на сильном огне: пузыри выносят крупинки со дна на поверхность. Похожий механизм работает и на нейтронной звезде. Накапливая водород и гелий от соседней звезды, она время от времени устраивает мощный ядерный взрыв — рентгеновскую вспышку.

В центре галактики огромная чёрная дыра окутана невидимым облаком — роем сверхлёгких частиц, которые она сама и породила. В это облако ныряет другая чёрная дыра, размером со звезду, и начинает долгий танец по спирали. Сближение длится миллионы лет, но самые драматичные события разворачиваются у самого горизонта. Орбита маленькой дыры редко бывает идеальным кругом.

В центре почти каждой большой галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра — молчаливый гигант, вокруг которого кружат звёзды, газ и другие, менее крупные чёрные дыры. Время от времени один из этих объектов срывается со своей орбиты и начинает падать на центрального монстра по сужающейся спирали.

Густая похлёбка медленно остывает в кастрюле. Внезапно огонь под ней вспыхивает, и похлёбка начинает бурлить, разбиваясь на множество маленьких водоворотов. Примерно так же ведёт себя диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, когда та переживает вспышку — резкий приток вещества из диска на звезду.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

Представьте трёхликого танцора на гребне световой волны. Один лик — ловец, вбирающий падающие фотоны. Второй — идеальное зеркало, бросающее свет обратно. Третий — матовое стекло, рассеивающее лучи во все стороны. Пока скорость мала, танец слажен. Но на околосветовых скоростях хореография ломается. Это похоже на сёрфера, догоняющего волну. Поначалу вода мощно толкает вперёд.

Чёрная дыра разрывает звезду, и мы видим ослепительную вспышку. А через пару лет, когда все уже забыли, радиотелескопы вдруг ловят новый сигнал — словно эхо из прошлого. До сих пор было неясно, почему приливное разрушение звезды (когда дыра растаскивает её своими приливными силами) иногда «молчит» в радио, а потом внезапно «загорается».

Вода низвергается в пропасть, но часть её взлетает обратно — бурлит и пенится у самого края. Примерно так ведёт себя газ, стекающий на сверхмассивную чёрную дыру, когда его поток становится слишком плотным. В новом исследовании учёные проследили эту картину с помощью компьютерной симуляции.

Мощный пылесос засасывает не только пыль, но и собственный мешок для сбора мусора. Примерно так ведёт себя чёрная дыра в центре «красной точки» — далёкой галактики, где свечение идёт не от самой дыры, а от её плотной газовой шубы. Эта шуба настолько толстая, что напоминает раздутую холодную звезду. И, как у многих звёзд, у неё есть магнитное поле.

Крошечная чёрная дыра размером с атомное ядро, но массой с гору возникла в первые мгновения после Большого взрыва, когда случайные сгустки энергии схлопывались в такие объекты.

Тени сверхмассивных объектов в центрах галактик — М87 и Млечного Пути — стали иконами современной астрофизики. Но что, если эти тени — след не поглощения, а прохода? Уравнения Эйнштейна разрешают существование проходимых кротовых нор — тоннелей в ткани пространства-времени.

Вода в воронке уходит вниз не вся: часть её выплёскивается вверх узкими брызгами. Похоже ведёт себя газ возле чёрной дыры. Он падает, раскаляется, сталкивается сам с собой — и часть его выбрасывается обратно в космос двумя узкими струями, которые летят в противоположные стороны. Обычно такие струи объясняют магнитным полем, которое закручивает газ и выстреливает его вдоль оси вращения.

Поверхность Солнца кипит, как вода в кастрюле. Горячий газ поднимается, остывает и опускается — это конвекция. Вокруг бурлят магнитные поля, которые рвутся и снова соединяются. В этой суете рождаются спикулы — узкие струи плазмы, которые взлетают на тысячи километров вверх.

Чёрные дыры — это космические водостоки, воронки гравитации, затягивающие вещество из окружающего пространства. Этот процесс, называемый аккрецией, не всегда проходит гладко: часть падающего газа может быть выброшена обратно в виде узких релятивистских струй — джетов.

В двойной системе 4U 1624-49 нейтронная звезда перетягивает газ с соседней обычной звезды. Этот газ закручивается в светящийся диск, как вода в воронке. И от края этой воронки срывается горячий поток — водород и другие элементы улетают прочь со скоростью до 320 километров в секунду.

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — из них потом собираются планеты. Чтобы вещество в таком диске слипалось в комки, оно должно постоянно перемешиваться. Но что заставляет газ двигаться хаотично, если сам по себе он спокоен? Часть ответа кроется в том, что газ в диске почти не проводит электричество — он слабо ионизирован.

В центрах почти всех галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры — незримые исполины с гравитацией такой силы, что даже свет не может их покинуть. Когда две галактики сталкиваются, их чёрные дыры оказываются парой, обречённой танцевать друг вокруг друга.

Радиотелескоп ловит сигнал длительностью в несколько миллисекунд — и за это мгновение выделяется энергия, сравнимая с той, что Солнце излучает за дни. Это быстрый радиовсплеск, миллисекундный радиоимпульс из далёкой галактики. С момента открытия в 2007 году астрофизики спорят, что его порождает.