Чорна діра «гикає» – вчені приголомшені періодичними спалахами у далекій галактиці

Аналіз показує, що крихітна чорна діра неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри. У серці далекої галактики надмасивна чорна діра, схоже, мала випадок гикавки. Астрономи з Массачусетського технологічного інституту, Італії, Чехії та інших країн виявили, що раніше тиха чорна діра, яка знаходиться в центрі галактики приблизно за 800 мільйонів світлових років від нас, раптово спалахнула, випускаючи шлейфи газу кожні 8,5 днів до цього. повертаючись до нормального спокійного стану.

Періодичні гикавки — це нова поведінка, яка досі не спостерігалася в чорних дірах. Вчені вважають, що найбільш вірогідним поясненням спалахів є друга, менша чорна діра, яка обертається навколо центральної надмасивної чорної діри та викидає матеріал із газового диска більшої чорної діри кожні 8,5 днів.

Заперечення теорій чорної діри

Висновки команди, які були опубліковані 27 березня в журналі Science Advances , кидають виклик традиційній картині акреційних дисків чорної діри, які вчені вважали відносно однорідними дисками газу, що обертаються навколо центральної чорної діри. Нові результати свідчать про те, що акреційні диски можуть мати більш різноманітний вміст, можливо, містити інші чорні діри і навіть цілі зірки.

«Ми думали, що знаємо багато про чорні діри, але це говорить нам, що вони можуть робити набагато більше», — каже автор дослідження Дірадж «DJ» Пашам, науковий співробітник Інституту астрофізики та космічних досліджень Кавлі Массачусетського технологічного інституту. «Ми думаємо, що подібних систем буде набагато більше, і нам просто потрібно отримати більше даних, щоб знайти їх».

Співавтори дослідження з Массачусетського технологічного інституту включають постдок Пітера Косека, аспіранта Меган Мастерсон, доцента Ерін Кара, головного наукового співробітника Рональда Реміллард і колишнього дослідника Майкла Фаусна, а також співробітників з багатьох установ, включаючи Римський університет Тор Вергата, Астрономічний інститут Чеської академії наук та Університет Масарика в Чехії.

«Використай або втратиш»

Висновки команди виникли в результаті автоматичного виявлення за допомогою ASAS-SN (Автоматизоване дослідження всього неба для SuperNovae), мережі з 20 роботизованих телескопів, розташованих у різних місцях у Північній і Південній півкулях. Телескопи автоматично оглядають все небо один раз на день для виявлення ознак наднових та інших тимчасових явищ.

У грудні 2020 року дослідники помітили спалах світла в галактиці приблизно за 800 мільйонів світлових років від нас. Ця конкретна частина неба була відносно тихою і темною до моменту виявлення телескопами, коли галактика раптово стала яскравішою в 1000 разів. Пашам, який випадково побачив виявлення, про яке повідомляється в сповіщенні спільноти, вирішив зосередитися на спалаху за допомогою рентгенівського телескопа NASA NICER (The Neutron star Interior Composition Explorer) на борту Міжнародної космічної станції, який постійно стежить за небом. для рентгенівських спалахів, які можуть сигналізувати про активність нейтронних зірок, чорних дір та інших екстремальних гравітаційних явищ. Час був випадковим, оскільки наближався кінець річного періоду, протягом якого Пашам мав дозвіл наводити або «запускати» телескоп.

«Було або використовувати, або втрачати, і це виявилося для мене найщасливішим виходом», — каже він.

Він навчив NICER спостерігати за далекою галактикою, яка продовжує спалахувати. Спалах тривав близько чотирьох місяців, перш ніж згас. Протягом цього часу NICER щодня проводив вимірювання рентгенівського випромінювання галактики з високою частотою. Коли Пашем уважно подивився на дані, він помітив цікаву закономірність у чотиримісячному спалаху: тонкі провали в дуже вузькій смузі рентгенівського випромінювання, які, здавалося, з’являлися кожні 8,5 днів.

Здавалося, що викид енергії в галактиці періодично знижується кожні 8,5 днів. Сигнал схожий на той, який бачать астрономи, коли планета, що обертається, перетинає свою зірку-господар, ненадовго блокуючи світло зірки. Але жодна зірка не зможе заблокувати спалах цілої галактики.

«Я почухав голову, що це означає, тому що цей шаблон не відповідає всьому, що ми знаємо про ці системи», — згадує Пашам.

Punch It

Шукаючи пояснення періодичних провалів, Пашам натрапив на нещодавню статтю фізиків-теоретиків із Чеської Республіки. Теоретики окремо прийшли до висновку, що, теоретично, у центральній надмасивній чорній дірі галактики може міститися друга, набагато менша чорна діра. Ця менша чорна діра може обертатися під кутом до акреційного диска свого більшого супутника.

Як припускали теоретики, вторинна діра періодично пробиватиме диск первинної чорної діри під час її обертання. У процесі він виділяв би клубок газу, як бджола, що летить крізь хмару пилку. Потужні магнітні поля на північ і південь від чорної діри могли б викинути шлейф вгору та з диска. Кожного разу, коли менша чорна діра пробиває диск, вона викидає ще один шлейф у регулярному, періодичному порядку. Якби цей шлейф випадково вказав у напрямку телескопа для спостереження, він міг би спостерігати шлейф як провал загальної енергії галактики, ненадовго блокуючи світло диска час від часу.

«Я був дуже схвильований цією теорією, і я негайно надіслав їм електронний лист зі словами: «Я думаю, що ми спостерігаємо саме те, що передбачала ваша теорія», — каже Пашам.

Він і чеські вчені об’єдналися, щоб перевірити цю ідею за допомогою моделювання, яке включало спостереження NICER за початковим спалахом і регулярними 8,5-денними спадами. Те, що вони виявили, підтверджує цю теорію: спостережуваний спалах, ймовірно, був сигналом другої, меншої чорної діри, яка обертається навколо центральної надмасивної чорної діри та періодично проколює її диск.

Зокрема, команда виявила, що галактика була відносно тихою до виявлення в грудні 2020 року. За оцінками команди, центральна надмасивна чорна діра галактики має масу 50 мільйонів сонць. До спалаху чорна діра могла мати слабкий дифузний акреційний диск, який обертався навколо неї, оскільки друга, менша чорна діра, розміром від 100 до 10 000 мас Сонця, оберталася у відносній невідомості.

Дослідники підозрюють, що в грудні 2020 року третій об’єкт — ймовірно, сусідня зірка — підійшов надто близько до системи та був подрібнений на шматки величезною гравітацією надмасивної чорної діри — подія, яку астрономи називають «подією приливного зриву». Раптовий приплив зоряного матеріалу на мить освітлив акреційний диск чорної діри, коли уламки зірки закрутилися в чорну діру. Протягом чотирьох місяців чорна діра ласувала зірковим сміттям, а друга чорна діра продовжувала обертатися. Коли він пробивався крізь диск, він викидав набагато більший шлейф, ніж зазвичай, який викидався прямо в приціл NICER.

Команда провела численні симуляції, щоб перевірити періодичні падіння. Найбільш ймовірним поясненням, як вони прийшли, є новий тип системи Давида і Голіафа — крихітна чорна діра середньої маси, що обертається навколо надмасивної чорної діри.

«Це інший звір», — каже Пашам. «Це не відповідає тому, що ми знаємо про ці системи. Ми бачимо докази того, що об’єкти входять у диск і крізь нього під різними кутами, що кидає виклик традиційній картині простого газового диска навколо чорних дір. Ми вважаємо, що існує величезна кількість таких систем».

«Це блискучий приклад того, як використовувати уламки зруйнованої зірки для освітлення внутрішньої частини галактичного ядра, яке інакше залишилося б темним. Це схоже на використання флуоресцентного барвника для пошуку витоку в трубі», — каже Річард Сакстон, рентгенівський астроном з Європейського центру космічної астрономії (ESAC) у Мадриді, який не брав участі в дослідженні. «Цей результат показує, що дуже близькі подвійні надмасивні чорні діри можуть бути звичайними в ядрах галактик, що є дуже цікавою подією для майбутніх детекторів гравітаційних хвиль».