Вчені зафіксували потужний гамма-спалах від палаючої чорної діри M87

Струмінь, що випливає з надмасивної чорної діри M87, у десятки мільйонів разів перевищує її горизонт подій.

• У 2019 році телескоп Event Horizon зробив перше в історії зображення чорної діри в центрі галактики M87, розташованої в сузір’ї Діви.
• Міжнародна група дослідників, включаючи вчених з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, нещодавно спостерігала спалах тераелектронвольтного гамма-випромінювання від цієї чорної діри.
• Спалах був на сім порядків — у десятки мільйонів разів — більший за горизонт подій чорної діри.
• Такий потужний спалах, якого не було більше десяти років, дає цінну інформацію про те, як частки, такі як електрони та позитрони, прискорюються в екстремальних середовищах поблизу чорних дір.

Зображення чорної діри

У 2019 році світ був зачарований, коли телескоп Event Horizon Telescope (EHT) опублікував перше в історії зображення чорної діри — надмасивної чорної діри в центрі галактики M87, також відомої як Діва A або NGC 4486, розташованої в сузір’ї. Діва. Тепер цей космічний гігант знову дивує вчених інтенсивним гамма-спалахом, що випромінює фотони в мільярди разів більші за енергію, ніж видиме світло. Такого потужного спалаху не бачили більше десяти років, що дає цінні підказки про те, як частинки, такі як електрони та позитрони, прискорюються поблизу екстремальних середовищ чорних дір.

Відкриття спалаху високої енергії

Струмінь, що виходить із центру M87, на сім порядків — у десятки мільйонів разів — перевищує горизонт подій або поверхню самої чорної діри. Яскравий спалах високоенергетичного випромінювання був значно вищим за енергію, яку зазвичай виявляють радіотелескопи з області чорної діри. Спалах тривав близько трьох днів і, ймовірно, виник з області розміром менше трьох світлових днів, або трохи менше 15 мільярдів миль.

Розуміння гамма-променів

Гамма-випромінювання – це пакет електромагнітної енергії, також відомий як фотон. Гамма-промені мають найбільшу енергію будь-якої довжини хвилі в електромагнітному спектрі та виробляються найгарячішими та найенергетичнішими середовищами у Всесвіті, такими як області навколо чорних дір. Фотони в гамма-спалаху M87 мають рівні енергії до кількох тераелектронвольтів. Тераелектронвольти використовуються для вимірювання енергії в субатомних частинках і еквівалентні енергії комара в русі. Це величезна кількість енергії для частинок, які у багато трильйонів разів менші за комара. Фотони з енергією в кілька тераелектронвольт набагато більші за енергію, ніж фотони, що утворюють видиме світло.

Акреція та динаміка струменів

Коли речовина падає до чорної діри, вона утворює акреційний диск, де частинки прискорюються через втрату гравітаційної потенційної енергії. Деякі навіть перенаправляються від полюсів чорної діри у вигляді потужного потоку, який називається «джетами», що рухається інтенсивними магнітними полями. Цей процес є нерегулярним, що часто викликає швидкий спалах енергії, який називається «спалахом». Однак гамма-промені не можуть проникнути в атмосферу Землі. Майже 70 років тому фізики виявили, що гамма-промені можна виявити з землі, спостерігаючи за вторинним випромінюванням, яке утворюється, коли вони потрапляють в атмосферу.

Методи дослідження та спостереження

«Ми все ще не до кінця розуміємо, як частинки прискорюються поблизу чорної діри або всередині струменя», — сказав Вейдонг Джин, докторант UCLA та відповідний автор статті, що описує результати, опубліковані міжнародною групою авторів у галузі астрономії. & Астрофізика . «Ці частинки настільки енергійні, що вони рухаються зі швидкістю світла, і ми хочемо зрозуміти, де і як вони отримують таку енергію. Наше дослідження представляє найповніші спектральні дані, коли-небудь зібрані для цієї галактики, а також моделювання, щоб пролити світло на ці процеси».

Джин брав участь в аналізі найвищої енергетичної частини набору даних, яка називається гамма-променями дуже високої енергії, яку зібрав VERITAS — наземний гамма-інструмент, що працює в обсерваторії Фреда Лоуренса Уіппла на півдні Арізони. Каліфорнійський університет у Лос-Анджелесі відіграв важливу роль у створенні VERITAS — скорочення від Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System — беручи участь у розробці електроніки для зчитування датчиків телескопа та в розробці комп’ютерного програмного забезпечення для аналізу даних телескопа та моделювання продуктивність телескопа. Цей аналіз допоміг виявити спалах, на що вказують великі зміни світності, які є значним відхиленням від базової мінливості.

Спільні спостереження та аналіз даних

Понад два десятки високопрофільних наземних і космічних спостережних об’єктів, у тому числі NASA Fermi-LAT, космічний телескоп Hubble, NuSTAR, Chandra та Swift, разом із трьома найбільшими у світі групами атмосферних телескопів Черенкова (VERITAS, HESS). і MAGIC) приєдналися до цієї другої EHT та багатохвильової кампанії у 2018 році. Ці обсерваторії чутливі до рентгенівських фотонів, а також до гамма-променів високої та дуже високої енергії відповідно.

Уявлення про прискорення частинок і космічні промені

Один із ключових наборів даних, використаних у цьому дослідженні, називається спектральним розподілом енергії.

«Спектр описує, як енергія від астрономічних джерел, таких як M87, розподіляється між різними довжинами хвиль світла», — сказав Джин. «Це як розбити світло на веселку та виміряти, скільки енергії міститься в кожному кольорі. Цей аналіз допомагає нам розкрити різні процеси, які керують прискоренням частинок високої енергії в струмені надмасивної чорної діри».

Подальший аналіз, проведений авторами статті, виявив значні варіації в положенні та куті кільця, яке також називають горизонтом подій, і положенні струменя. Це свідчить про те, що фізичний зв’язок між частинками та горизонтом подій у різних масштабах розміру впливає на положення струменя.

«Однією з найяскравіших особливостей чорної діри M87 є біполярний струмінь, що тягнеться на тисячі світлових років від ядра», — сказав Джин. «Це дослідження надало унікальну можливість дослідити походження дуже високоенергетичного гамма-випромінювання під час спалаху та визначити місце, де прискорюються частинки, що викликають спалах. Наші висновки можуть допомогти вирішити давню дискусію про походження космічних променів, виявлених на Землі».