Астрономами ГАИШ МГУ предложен способ тестирования формы аккреционных дисков вокруг черных дыр в двойных рентгеновских системах с помощью анализа поляризации по данным спектрополяриметрической миссии Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Наблюдения нескольких рентгеновских двойных систем с ЧД и одной сейфертовской галактики 1-го типа, проведенные на телескопе IXPE, подтверждают теоретическое предсказание относительно плоской формы аккреционных дисков в таких объектах.
Ученые МГУ также предложили теоретическое обоснование формирования линейной поляризации рентгеновского излучения в таких источниках. Показано, что степень линейной поляризации не зависит от энергии фотонов и подчиняется характерному угловому распределению, определяемому оптической толщей внутренних зон аккреционных дисков. Сравнение теоретических выводов с реальными наблюдениями показало превосходное согласие и тем самым предоставило доказательство плоской формы аккреционных дисков в аккрецирующих рентгеновских двойных системах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics.
Наблюдения за черными дырами с помощью IXPE позволили подтвердить то, о чем раньше ученые только догадывались: рентгеновское излучение аккреционных дисков является поляризованным. Более того, их поляризация является линейной и зависит от оптической толщины диска, а также его ориентации в пространстве. Последнее предсказывалось на основе теоретических расчетов в строгом соответствии с релятивистской теорией переноса излучения еще в 1985 году советскими физиками Р.А. Сюняевым и Л.Г. Титарчуком. Цель данной работы – продемонстрировать, что основные физические параметры этих галактических и внегалактических источников могут быть получены только на основе измерения поляризации и анализа рентгеновских спектров. Обнаружено, что степень поляризации практически не зависит от энергии. Важно, что подтверждение связи между поляризацией, толщиной диска и его ориентацией сразу говорит о форме аккреционного диска – диск плоский.
Еще в 1973 году Н.И. Шакура и Р.А. Сюняев высказали пионерскую идею о том, как формируется рентгеновское излучение в двойных системах, состоящих из обычной звезды и компактного объекта (например, черной дыры). Сейчас эта идея общепринята мировым астрономическим сообществом и заключается в высвобождении рентгеновских квантов при образовании аккреционного диска вокруг ЧД с учетом вязкости перетекающего вещества звезды-донора на черную дыру. Интересно, что в первом приближении этот диск рассматривался как цилиндр с плоскими верхней и нижней границами (так называемый «плоский диск»). Это связано с тем, что вращающееся вещество, падающее на центральный объект (например, черную дыру), под действием центростремительной силы и приливных сил формирует диск, вытянутый в плоскости вращения. Далее форма диска была предметом математических упражнений физиков-теоретиков: от сфероидальной до плоской, с элементами выпуклости или вогнутости верхней и нижней границ. И только сейчас в связи с запуском поляризационного аппарата IXPE появилась возможность проверить, какую же форму имеет диск на самом деле.
И здесь пригодился эффект поляризации рентгеновского излучения, предсказанный еще в 1985 году Р.А. Сюняевым и Л.Г. Титарчуком. Оказывается, что рентгеновское излучение аккреционного диска чувствительно к форме диска. Оно становится, например, линейно поляризованным в процессе комптонизации низкоэнергичных фотонов диска на электронах плазмы плоского диска. При этом пространственная ориентация диска относительно земного наблюдателя по-разному позволяет заглянуть внутрь диска в зависимости от его оптической толщи (определяемой температурой плазмы, параметром комптонизации и др.). Все это было рассчитано в 1985 году и ждало своего подтверждения или опровержения. И, наконец, расчеты удалось сравнить с наблюдениями IXPE для ряда рентгеновских двойных систем и активных ядер галактик, что блестяще подтвердило правильность подхода Р.А. Сюняева и Л.Г. Титарчука, а также неожиданно отбросило множественность предложенных моделей формы диска, оставив лишь «плоский диск». Это неожиданный результат, отложенный на 40 лет из-за невозможности наблюдательной проверки найденного эффекта поляризации.
Новую информацию о поляризации рентгеновского излучения черных дыр теперь невозможно игнорировать – ее придется учитывать. Несомненно, что подтвержденный эффект приведет к фундаментальному пересмотру многих моделей аккреционных дисков из-за возможных расхождений с наблюдательными данными.
Благодаря этим результатам астрофизики теперь могут проверять степень поляризации при вычислении параметров моделей рентгеновского излучения. Это открытие позволяет подтвердить аналогичность геометрии у разных рентгеновских двойных систем. Также можно будет лучше понять физику экстремальных объектов, таких как черные дыры.
«IXPE раскрыл секреты поляризации и характеристик не только черных дыр звездной массы, но и сверхмассивных черных дыр, излучение которых оказалось также линейно поляризованным в процессе комптонизации в горячей плазме плоского диска. При этом также подтверждена зависимость степени поляризации сверхмассивных черных дыр от ориентации диска в пространстве», – поделилась Елена Сейфина, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: ru.123rf.com