Новая мера мгновенной мощности струй черной дыры Cygnus X-1

Используя 18 лет высокоразрешающей радиовизуализации, команда исследователей смогла зафиксировать искривление струй черной дыры Cygnus X-1, вызванное звездным ветром от ее компаньона в бинарной системе. Моделируя взаимодействия струй и ветра, ученые впервые определили мгновенную кинетическую мощность струи, которую можно сравнить с ранее доступной средней мощностью. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Изучение влияния аккреции сверхмассивных черных дыр на эволюцию галактик и космических структур является одной из главных задач в исследовании релятивистских струй. Эти струи создают крупномасштабные ударные волны, загрязняют межзвездный газ магнитными полями и космическими лучами, вызывают турбулентность и образуют огромные газовые полости в группах и скоплениях галактик. Однако существует основная проблема в моделировании кинетической обратной связи, связанная с отсутствием мгновенных измерений мощности струи, которые могли бы дать информацию о доле энергии аккреции, преобразуемой в кинетическую энергию струи.

Для ограничения этой обратной связи астрофизики традиционно полагались на оценки средней мощности струи, полученные с помощью калориметрии пузырей, надуваемых струей. Это означает усреднение общей кинетической мощности, излучаемой струей на протяжении всей ее жизни, что превышает временные масштабы изменчивости потока аккреции. Из-за этого временного разрыва калориметрические измерения не позволяют точно откалибровать эффективность мгновенной кинетической обратной связи черных дыр в аккреции, что является важным параметром для моделей формирования крупных структур. Это побудило астрофизиков разработать метод, позволяющий измерять мгновенную мощность струй черной дыры в аккреции. И что может быть лучше для этого, чем близкая звёздная черная дыра в бинарной системе?

Бинарные системы с черными дырами представляют собой уникальную возможность для измерения мгновенной мощности струй благодаря теоретически предсказанным взаимодействиям между звездным ветром от компаньона и струями. В таких системах черная дыра аккрецирует материю из мощного звездного ветра своей массивной звезды-компаньона. Струи, излучаемые черной дырой, затем должны распространяться через этот ветер. Влияние ветра может отклонить струю, что, в сочетании с орбитальным движением черной дыры, приводит к образованию спиральной струи. Общая траектория струи определяется относительными интенсивностями потока импульса ветра и потока импульса струи. Следовательно, если известны параметры ветра, можно мгновенно измерить мощность, скорость, геометрию и любое несоответствие между струей и бинарной системой.

На расстоянии 2,22 кпк, бинарная система X с черной дырой Cygnus X-1 содержит черную дыру массой 21,2 ± 2,2 M⊙, которая находится в орбите с периодом 5,6 дней вокруг супергиганта спектрального типа O массой 40,6 M⊙. Черная дыра питается звездным ветром от звезды-донор, чья скорость потери массы составляет (2,57 ± 0,05) × 10⁻⁶ M⊙ в год. Стабильная струя излучается вблизи черной дыры и может быть разрешена благодаря высокоразрешающим радионаблюдениям с использованием интерферометрии с очень длинной базой (VLBI). Первые наблюдения VLBI Cygnus X-1 были проведены в конце 1990-х годов и зафиксировали только струю, направленную к нам, усиленную эффектом Доплера. Более чувствительная кампания VLBI, проведенная в 2016 году, впервые позволила обнаружить струю, отдаляющуюся от нас. Эта струя имела угол положения, схожий с углом приближающейся струи на плоскости неба. Низкая эксцентриситетность бинарной системы (e = 0,019 ± 0,003) и ее низкая пространственная скорость относительно предполагаемого места формирования в ассоциации Cygnus OB3 предполагают относительно низкую начальную импульс при формировании черной дыры, поэтому ось струи должна быть относительно хорошо выровнена с орбитой бинарной системы. Однако недавние работы показали значительное несоответствие между осью струи и вектором орбитального момента.

Кроме того, калориметрия Cygnus X-1 использовалась для привязки многих соотношений масштаба черных дыр, полученных из наблюдений (таких как мощность струи в отношении радиоизлучения) по всему диапазону масс черных дыр, используя инвариантную природу масштабов черных дыр. Это еще больше подчеркивает необходимость измерения мгновенной мощности струи Cygnus X-1.

S. Prabu (Университет Кертина, Перт, Австралия) и его коллеги повторно проанализировали данные 2016 года. Их анализ отдельных изображений VLBA и EVN из кампании 2016 года показал, что углы положения наблюдаемых струй, направляющихся к нам и от нас, варьировались в зависимости от орбитальной фазы. Они проверили, используя архивные данные, что изменение угла положения приближающейся струи было воспроизводимым, с отклонениями, зависящими от орбитальной фазы по сравнению со средним постоянным углом положения на протяжении 18 лет. Более того, независимый анализ струи, не зависящий от модели, показал, что струи, направляющиеся к нам и от нас, искривляются в разные стороны, будучи отклоненными от положения звезды-донор.

Разница в углах положения струй, наблюдаемая исследователями, не может быть объяснена простой прецессией оси струи. Однако она естественно возникает в сценарии, где струи отклоняются под воздействием звездного ветра. Prabu и его коллеги рассматривают аналитическую модель искривления струи, вызванного ветром. Эта модель уравновешивает поток импульса ветра с боковым потоком импульса струи и учитывает орбитальное движение для предсказания общей спиральной структуры струи. Эта модель, основанная на физических принципах, также учитывает небаллистические эффекты, вызванные давлением спиральной струи против ветра. Чтобы вывести характеристики струи при запуске, они подогнали эту аналитическую модель, численно оцененную, к измеренной структуре струи.

Одновременная подгонка шести эпох наблюдений VLBA 2016 года позволила впервые получить мгновенную мощность струи в черной дыре в аккреции, а также скорость струи. Изначально предполагалось, что черная дыра Cygnus X-1 образовалась в результате прямого коллапса очень массивной звезды. В отсутствие импульса сверхновой ось вращения черной дыры должна быть хорошо выровнена с ее орбитальным углом момента. Однако недавнее обнаружение сильной поляризации рентгеновских лучей, излучаемых системой, указывает на значительное несоответствие, порядка 18° вдоль линии зрения. В то же время исследование частотных фазовых сдвигов, наблюдаемых в радиолучах, указало на несоответствие от 20 до 30° на плоскости неба. Учитывая эти противоречивые результаты, Prabu и др. исследовали влияние несоответствия на рассчитанные траектории струй.

В присутствии несоответствующей струи ожидается, что небаллистические взаимодействия ветра и струи будут сильно асимметричными вблизи основания струи. Вне зависимости от геометрии несоответствия, струя, направляющаяся к звезде (где ветер более плотный), будет распространяться на определенной орбитальной фазе, в то время как струя, удаляющаяся, сделает это через пол-орбиты позже. Значительное несоответствие (≳ 10°) приведет к сильному асимметричному искривлению струй, направляющихся к нам и от нас, из-за различных небаллистических сил, воздействующих на них со стороны ветра; однако исследователи не наблюдают этого явления.

Тем не менее, они скорректировали траектории струй с учетом большего числа параметров, чтобы учесть несоответствие между осью струи и орбитальной осью, и смогли определить мощность струи: 1037.3 эрг/с, скорость струи: 68% скорости света и оптимальное несоответствие 5.2°. Однако, чтобы учесть возможные систематические ошибки, возникающие из-за усреднения траекторий струи за 12 часов наблюдений, астрофизики приняли консервативную верхнюю границу несоответствия в 8,2° между струей и бинарной системой.

Такое низкое несоответствие между струей и орбитой подразумевает, что для сильной поляризации рентгеновских лучей, наблюдаемой IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), могут потребоваться другие объяснения, такие как наличие релятивистского потока в короне. Фазовые сдвиги в радиоизлучении могут быть объяснены спиральной структурой струи, созданной искривлением струи и орбитальным движением черной дыры. Это низкое несоответствие также согласуется с низкой эксцентриситетностью и низкой специфической скоростью системы, а также с теоретическими предсказаниями о формировании таких массивных черных дыр.

Хотя оценки мощности струи, полученные из трех физических моделей (без несоответствия, с несоответствием и с несоответствием и неконической струей), согласуются друг с другом на уровне 1 σ и относительно нечувствительны к неопределенностям скорости потери массы звездного ветра от звезды-донор, Prabu и его коллеги предпочли оценку мощности струи из модели, которая допускает как несоответствие, так и неконическую геометрию струи. Эта модель, основанная на наименьшем количестве предположений, подразумевает, что за время жизни бинарной системы X с черной дырой Cygnus X-1, составляющее несколько миллионов лет, общая кинетическая обратная связь струй составит порядка нескольких раз 10⁵⁰ эрг, что сопоставимо с обратной связью от сверхновой.

Исследователи отмечают, что мгновенная мощность струй, которую они измерили, хорошо согласуется со средней мощностью струй от 4 до 14 × 10³⁶ эрг/с, полученной для Cygnus X-1 с помощью калориметрии. Поразительное сходство между болометрической яркостью жестких рентгеновских лучей Cygnus X-1 и измеренной мощностью струи Prabu и др. подтверждает предполагаемые коэффициенты преобразования аккреции в энергию струи, которые обычно используются в типичных симуляциях формирования галактик.

Благодаря точному и мгновенному измерению мощности струй Cygnus X-1, исследователи подтвердили использование калориметрии, применяемой ранее для калибровки доли энергии аккреции, преобразуемой в кинетическую энергию струй. Сильное согласие между мгновенной и средней мощностями струй предполагает долгосрочную стабильность струй, производимых неэффективными рентгеновскими аккреционными потоками. Это подтверждение усиливает уверенность в более широком применении калориметрических методов для оценки мощности струй в других системах черных дыр, включая активные ядра галактик, независимо от их конкретного режима аккреции.

Эта уникальная мера мгновенной доли преобразования энергии аккреции в энергию струй также значительно укрепляет энергетический баланс, который предполагался для черных дыр в аккреции в крупных космологических симуляциях.