Сотрудники ГАИШ МГУ обнаружили сильный избыток излучения из спектров в промежуточном состоянии для чёрных дыр. Это открытие – еще одно яркое подтверждение существования сильных гравитационных полей во Вселенной и еще один шаг в понимании того, как устроен мир вокруг нас. Статья опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Рисунок 1
Известно, что вблизи горизонта событий чёрной дыры возникают условия для формирования пар из электронов и позитронов с их последующей аннигиляцией (реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных), сопровождаемой излучением фотонов с энергией 511 кэВ (килоэлектронвольт). Такой эффект называется аннигиляционная линия (АЛ). Обнаружение такой линии доказывало бы, что наши представления о физике чёрных дыр правильные. Однако усилия наблюдателей не увенчались успехом, возможно, из-за слабости этой линии или ее отсутствия. Другая причина неудач может крыться в красном гравитационном смещении, которое неизбежно испытывают фотоны при удалении от горизонта событий чёрных дыр. При этом гравитационное поле чёрной дыры настолько велико, что исходная энергия фотонов снижается до ~20 кэВ. Сама линия размывается из-за ненулевой толщины слоя формирования (~200 м для чёрной дыры с массой 10 солнечных масс) и превращается в широкий «горб» в спектре на 15-40 кэВ. Именно там и была недавно обнаружена эта спектральная особенность в ряде галактических чёрных дыр (GХ339-4, GRS1915+105, CygX-1, SS433, V4641Sgr) по данным RXTE, BeppoSAX и INTEGRAL.
Рисунок 2
Учёные МГУ с помощью метода спектрального моделирования проанализировали широкополосные энергетические спектры этих источников и обнаружили сильный избыток излучения в диапазоне 15-40 кэВ некоторых из спектров в промежуточном состоянии для всех пяти вышеупомянутых чёрных дыр. Этот избыток и был интерпретирован как гравитационно красно-смещенная АЛ.
«Такой эффект красного гравитационного смещения блестяще согласуется с предсказаниями общей теории относительности и численными расчетами методом Монте-Карло. Таким образом, изначально АЛ от чёрных дыр звездной массы искали не там… из-за неучёта эффектов общей теории относительности в сильных гравитационных полях. Это открытие – еще одно яркое подтверждение существования сильных гравитационных полей во Вселенной и еще один шаг в понимании того, как устроен мир вокруг нас. В перспективе подобный эффект может наблюдаться и в других ЧД звездной массы, что подтвердит наши находки», – рассказала ведущий научный сотрудник отдела звёздной астрономии МГУ Елена Сейфина.
Рисунок 1. Эволюция спектров черной дыры Cyg X−1 для четырех спектральных состояний по данным спутника RXTE. Данные показаны черными крестиками, а компоненты спектральной модели показаны пунктирными зелеными, синими и малиновыми линиями для comptb, Gaussian и Bbody соответственно. Заштрихованные желтым цветом области демонстрируют эволюцию компонента, интерпретируемого как гравитационно красносмещенная АЛ, во время эволюции между этими состояниями. Елена Сейфина/МГУ
Рисунок 2. Гравитационное смещение АЛ, которое испытывают фотоны 511 кэВ при выходе из глубин гравитационного поля черной дыры. Схематично показано "уширение" исходной линии в спектре из-за разной глубины формирования квантов около горизонта событий (оранжевый слой) черной дыры. В итоге узкая линия на 511 кэВ превращается в широкий «горб», центрированный на 20 кэВ и "растянутый" на энергиях 15-40 кэВ. Елена Сейфина/МГУ
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ
