«Бублики» черных дыр оказались «фонтанами»

Ученые из Японии исследовали структуру вблизи активной черной дыры в галактике в 14 миллионах лет от Земли и узнали, как такие структуры формируются и какую форму приобретают в итоге.

На основе компьютерных данных и новых наблюдений из обсерватории ALMA ученые выяснили, что кольца газа, окружающие активные сверхмассивные черные дыры, имеют не просто форму пончика (или тороида). Так, испущенный из центра газ взаимодействует с падающим в дыру газом, создавая динамичную циркулярную структуру, подобную фонтанам в городских парках.

В центре большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры, по массе в миллионы и миллиарды раз превышающие Солнце. Некоторые из этих черных дыр активно поглощают материал. Ранее астрономы считали, что вместо того, чтобы напрямую падать в черную дыру, вещество скапливается вокруг активной черной дыры, формируя структуру в форме пончика.

Такума Издзуми, исследователь из Национальной астрономической обсерватории Японии, вместе с командой астрономов использовал данные ALMA для наблюдения за черной дырой в галактике ESO 97-G13, расположенной в 14 миллионах световых лет от Земли, по направлению к созвездию Циркуль.

Поперечное сечение газа вокруг сверхмассивной черной дыры в симуляции суперкомпьютера ATERUI. Разные цвета представляют разную плотность газа, а стрелки показывают его направление.

Отчетливо видны три газообразных компонента, образующих структуру тороидальной формы / © Wada et al.

Затем астрономы сравнили свои наблюдения с компьютерной симуляцией газа, падающего в черную дыру, построенной при помощи суперкомпьютера Cray XC30 ATERUI. В результате они обнаружили, что предположительный «пончик», на самом деле, не является жесткой структурой, а представляет собой сложный набор высокодинамичных газообразных компонентов.

Сначала холодный молекулярный газ, падающий в черную дыру, формирует диск вблизи плоскости вращения. По мере приближения к черной дыре газ нагревается, пока молекулы не начинают распадаться на составляющие их атомы и ионы. Потом некоторые из этих атомов выбрасываются над диском и под ним, а не поглощаются черной дырой. Горячий атомный газ падает обратно на диск, создавая турбулентную трехмерную структуру. Эти три компонента постоянно циркулируют — это напоминает работу фонтана в парке.

«Предыдущие теоретические модели задавали априорные предположения о жестких „пончиках”, — объясняет Кейити Вада, теоретик из Университета Кагосимы, изучавший симуляцию. — Вместо того чтобы начать с работы с предположениями, наша симуляция начала с физических уравнений и показала, что сначала вращение газа естественным образом формирует тороид. Эта симуляция также может объяснить разные наблюдательные особенности системы».

«Исследовав движение и искажение как холодного молекулярного газа, так и теплого атомного газа при помощи ALMA, мы продемонстрировали происхождение структуры так называемого пончика вокруг активных черных дыр, — говорит Идзуми. — Принимая во внимание это открытие, думаю, следует переписать учебники по астрономии».