Исследователи Института космических исследований РАН и их коллеги с помощью высокоточного поляриметра Северного Оптического Телескопа (Nordic Optical Telescope, Ла Пальма, Испания) определили трехмерную ориентацию орбиты, по которой черная дыра звездной массы вращается вместе со звездой-компаньоном. Оказалось, что направления спина черной дыры и оси вращения орбиты значительное различаются. Это открытие — своего рода вызов текущим теоретическим моделям образования черных дыр, которые не предполагают развития такого сценария. Результаты открытия опубликованы в журнале Science 25 февраля 2022 г.

Публикация в журнале Science описывает первое надежное обнаружение высокого, более 40 градусов, отклонения оси вращения черной дыры к оси орбиты рентгеновской двойной системы MAXI J1820+070, содержащую черную дыру и звезду-компаньона.

Часто в космических системах с легкими объектами, вращающимися вокруг центрального массивного тела, собственная ось вращения этого тела в значительной степени совпадает с осью вращения его спутников. Это выполняется и для нашей Солнечной системы: планеты вращаются вокруг Солнца в плоскости, которая примерно совпадает с экваториальной плоскостью Солнца. Наклон оси вращения Солнца по отношению к оси орбиты Земли составляет всего 7 градусов (оси вращения самих планет могут сильно «гулять», что видно на примерах Земли и, например, Урана).

«То, что казалось очевидным для большинства систем, оказалось неверным для таких удивительных объектов как черные дыры в рентгеновских двойных системах», — говорит профессор Юрий Поутанен, заведующий Лабораторией фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики ИКИ РАН, созданной при поддержке мегагранта правительства РФ, и ведущий автор публикации.

Черные дыры в таких системах образовались в результате космического катаклизма — коллапса массивной звезды. Сейчас мы видим, как черная дыра в системе MAXI J1820+070 увлекает за собой вещество более легкой звезды-компаньона, вращающейся вокруг нее. Масса черной дыры оценивается примерно в 8 солнечных масс, её компаньона — примерно в половину солнечной.

«Мы видим яркое оптическое и рентгеновское излучение от вещества, падающего в черную дыру, а также радиоизлучение, приходящее от газа, который вырывается из системы в виде двух узких струй — джетов со скоростью, близкой к скорости света. Эти струи совпадают с осью вращения черной дыры».

Релятивистские струи MAXI J1820+070 были обнаружены, когда она увеличила яркость в 2018 году. При помощи радиоинтерферометрии была измерена их трехмерная ориентация, по которой была определена ориентация оси вращения черной дыры.

После того, как система «погасла» (её яркость во всех диапазонах уменьшилась на порядки), наклонение орбиты было измерено по наблюдениям звезды-компаньона спектроскопическими методами (орбита компаньона и плоскость аккреционного диска совпадают). Оно оказалось почти совпадающим с наклонением струи. Для определения трехмерной ориентации орбиты дополнительно необходимо знать позиционный угол системы на небе —  как изображение системы повернуто относительно направления на северный полюс эклиптики. Оно было измерено с помощью поляриметрических методов.

«Поляризация содержит важную информацию об ориентации космических источников. Поляризационный угол связан с преобладающим направлением колебаний электрического поля. Это направление определяется осью симметрии системы — в нашем случае, осью орбиты. Следовательно, поляризационный угол обеспечивает недостающий элемент в трехмерной ориентации системы MAXI J1820+070. Поляриметрия активно развивается в качестве нового инструмента для изучения Вселенной, новый этап здесь связан с недавним запуском спутника IXPE (NASA), который определяет поляризацию излучения в рентгеновском диапазоне, — говорит соавтор публикации к.ф-м.н. Сергей Цыганков. — Наша группа играет важную роль в этом проекте, который в скором времени откроет новое окно во Вселенную».

Позиционный угол двойной системы оказался отличным от угла, измеренного по струям, что указывает на сильное отклонение орбитальной оси от оси вращения черной дыры. Получается, что черная дыра в этой системе вращается, «лежа на боку».

Эти наблюдения открывают множество перспектив для будущих исследований.

«Поведение материи, падающей в компактный объект с наклонной осью вращения, кардинально отличается и гораздо богаче по наблюдаемым свойствам от того случая, когда вращение черной дыры совпадает с осью орбиты, — говорит к.ф-м.н. Александра Веледина. — Наклон черной дыры обуславливает отклонение материи от плоскости вращения и вызывает прецессию ее орбиты, известную как эффект Лензе-Тирринга. Исследовать эти процессы можно, наблюдая за системой в рентгеновском и оптическом диапазонах волн.

Ненулевой угол между вращающейся черной дырой и осью орбиты материи вокруг нее выступает в качестве дополнительной степени свободы в моделях, которые используются для определения спина черных дыр с помощью рентгеновской спектроскопии, и его необходимо учитывать в будущем».

Работа открывает интересные перспективы для изучения формирования и эволюции таких систем, поскольку такое экстремальное наклонение трудно получить во многих сценариях образования черных дыр и эволюции двойных систем.

«Сильное наклонение спина черной дыры было неожиданным для нашей команды. Многие исследователи используют предположение о соосности для предсказания поведения и наблюдаемых свойств материи в искривленном пространстве-времени вокруг черной дыры. Наклонение добавляет дополнительную сложность в модели, многие из которых нуждаются в корректировке», — отмечает Юрий Поутанен.

Работа группы ИКИ РАН поддержана грантом РНФ 20-12-00364.