Галактика М87, розташована на відстані близько 55 мільйонів світлових років від Землі, стала знаменитою завдяки першому в історії зображенню тіні надмасивної чорної діри, отриманому колаборацією Event Horizon Telescope у 2019 році. Але сама чорна діра — лише частина історії. З її околиць вирвається потужний струмінь речовини — джет, що простягається на тисячі світлових років і випромінює у всьому діапазоні від радіохвиль до рентгену. Пояснити, як саме влаштований цей джет на найменших, підпарсекових масштабах (парсек — це близько 3,26 світлового року), досі було складно.
Нове дослідження пропонує модель, яка описує ці масштаби точніше за попередні.
Як моделюють джет чорної діри
Автори використали загально-релятивістські розрахунки перенесення випромінювання. Це обчислювальний метод, що поєднує моделювання руху речовини в акреційному диску (газі, що обертається навколо чорної діри перед падінням у неї) з розрахунком того, як народжене цим газом випромінювання поширюється у викривленому гравітацією просторі-часі. Такі розрахунки дозволяють отримати синтетичне зображення й спектр, які потім порівнюють із реальними спостереженнями телескопів.
До попередніх версій подібних моделей дослідники додали новий елемент — компактний згусток плазми (у джерелі — «blob»), розташований безпосередньо в області запуску джета, тобто там, де магнітні поля й обертання чорної діри розганяють речовину до релятивістських швидкостей. Раніше моделі описували цю область спрощено, як гладкий безперервний потік речовини, без локальних неоднорідностей.
Що дав новий компонент
Включення згустку плазми одразу покращило кілька незалежних показників.
По-перше, модель тепер відтворює квазі-одночасний спектр енергетичного розподілу М87 в надзвичайно широкому діапазоні частот — від 10 гігагерц до 10 квадрильйонів герц (від радіодіапазону до м'якого гамма-випромінювання). Раніше моделі без такого компонента гірше узгоджувалися саме на низьких енергіях.
По-друге, покращилося узгодження в так званій області самопоглинання синхротронного випромінювання — на частотах нижче 100 гігагерц, де випромінене джетом світло частково поглинається самою ж плазмою джета. Синтетичний спектр у цій області вийшов пласкішим, зі спектральним показником α між 22 і 86 гігагерц, що дорівнює 0,08 — це ближче до реальних спостережних даних, ніж давали попередні моделі.
По-третє, покращилася відповідність морфології — форми й структури зображення джета — реальним радіоінтерферометричним спостереженням на частоті 86 гігагерц. Модель узгоджується зі спостереженнями аж до 0,6 мілісекунди дуги від чорної діри.
Яскравіший південний край і нові вузли
Особливо цікавий результат стосується так званої edge-brightened структури — характерної для джета М87 картини, коли краї потоку речовини яскравіші за його центр. Нова модель відтворює цю структуру на відстані аж до 1,3 мілісекунди дуги від центральної чорної діри, що для М87 відповідає підпарсековим масштабам. Це помітно більша ділянка, ніж вдавалося пояснити в попередніх дослідженнях.
При цьому в моделі південний край джета виявився яскравішим за північний — саме так, як і спостерігається реальними телескопами. Крім того, на синтетичному зображенні з'явилися окремі яскраві вузли (knots) вздовж південного краю джета, які раніше моделі не відтворювали.
Що це означає далі
Результат не дає прямої відповіді, звідки в області запуску джета береться такий локалізований згусток плазми і наскільки стабільним чи довготривалим він є — це лишається предметом подальшого вивчення. Але сам факт, що додавання одного порівняно простого компонента суттєво покращує узгодження одразу за кількома незалежними параметрами — спектром, морфологією та розподілом яскравості — свідчить, що реальна структура плазми поблизу чорної діри М87 неоднорідніша, ніж припускали гладкі моделі акреційного потоку. Подальші спостереження, зокрема наступні покоління подібних до Event Horizon Telescope мереж, зможуть перевірити, наскільки стійкою є ця картина.
