Вчені спостерігають рентгенівські спалахи від чорної діри, які дивовижно прискорюються

Одна надмасивна чорна діра протягом останніх кількох років тримала астрономів у своїх прицілах. Спочатку відбулося несподіване зникнення, а тепер небезпечний обертовий акт. Чорна діра, про яку йде мова, — це 1ES 1927+654, яка за масою дорівнює мільйону сонць і знаходиться в галактиці, яка знаходиться на відстані 100 мільйонів світлових років від нас. У 2018 році астрономи з Массачусетського технологічного інституту та інших країн помітили, що корона чорної діри — хмара розпеченої до білого плазми — раптово зникла, а через кілька місяців знову зібралася. Коротке, але драматичне відключення було першим в астрономії чорних дір.

Члени команди Массачусетського технологічного інституту зараз виявили ту саму чорну діру, яка демонструє безпрецедентну поведінку. Астрономи зафіксували спалахи рентгенівського випромінювання, що надходять від чорної діри, постійно зростаючи. Протягом двох років частота спалахів на мілігерцевих коливаннях зросла з кожних 18 хвилин до кожних сім хвилин. Такого драматичного прискорення рентгенівського випромінювання досі не спостерігали з чорної діри.

Дослідники дослідили кілька сценаріїв, що могло б пояснити спалахи. Вони вважають, що найбільш вірогідним винуватцем є обертовий білий карлик — надзвичайно компактне ядро ​​мертвої зірки, яке обертається навколо чорної діри та невпевнено наближається до її горизонту подій, межі, за якою ніщо не може уникнути гравітаційного тяжіння чорної діри. Якщо це так, білий карлик, мабуть, виконує вражаючий акт балансування, оскільки він міг підійти прямо до краю чорної діри, фактично не впавши всередину.

«Це було б найближче, що ми знаємо про будь-яку чорну діру», — каже Меган Мастерсон, аспірантка фізики Массачусетського технологічного інституту, яка була одним із керівників відкриття. «Це говорить нам, що такі об’єкти, як білі карлики, можуть жити дуже близько до горизонту подій протягом відносно тривалого періоду».

Дослідники представили свої висновки на 245-й зустрічі Американського астрономічного товариства в Національній гавані, штат Меріленд, і опублікують результати в статті в Nature . Висновки також опубліковані на сервері препринтів arXiv. Якщо в основі таємничого спалаху чорної діри лежить білий карлик, він також випромінює гравітаційні хвилі в діапазоні, який можна було б виявити обсерваторіями наступного покоління, такими як космічна антена лазерного інтерферометра NASA (LISA).

«Ці нові детектори розроблені для виявлення коливань у хвилинному масштабі, тому ця система чорних дір знаходиться в цьому найкращому місці», — каже співавтор Ерін Кара, доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту. Серед інших співавторів дослідження – члени Массачусетського технологічного інституту Кавлі Христос Панагіоту, Джохін Чакраборті, Кевін Бердж, Ріккардо Аркодія, Рональд Реміллард і Джінгі Ван, а також співробітники з багатьох інших установ.

Нічого нормального

Кара та Мастерсон були частиною команди, яка спостерігала 1ES 1927+654 у 2018 році, коли корона чорної діри темніла, а потім повільно відновлювалася з часом. Деякий час нещодавно перетворена корона — хмара високоенергетичної плазми та рентгенівського випромінювання — була найяскравішим рентгенівським об’єктом на небі.

«Він все ще був надзвичайно яскравим, хоча він не робив нічого нового протягом кількох років і наче булькав. Але ми відчували, що повинні продовжувати стежити за ним, тому що він був таким прекрасним», — каже Кара. «Тоді ми помітили те, чого насправді ніколи раніше не бачили».

У 2022 році команда проаналізувала спостереження чорної діри, зроблені XMM-Newton Європейського космічного агентства, космічної обсерваторією, яка виявляє та вимірює рентгенівське випромінювання від чорних дір, нейтронних зірок, галактичних скупчень та інших екстремальних космічних джерел. . Вони помітили, що рентгенівське випромінювання від чорної діри пульсувало зі зростаючою частотою.

Такі «квазіперіодичні коливання» спостерігалися лише в кількох інших надмасивних чорних дірах, де рентгенівські спалахи з’являються з регулярною частотою. У випадку 1ES 1927+654 мерехтіння, здавалося, неухильно зростало, від кожні 18 хвилин до кожні сім хвилин протягом двох років.

«Ми ніколи не бачили такої драматичної мінливості у швидкості миготіння», — каже Мастерсон. «Це зовсім не було схоже на звичайну чорну діру».

Той факт, що спалах було виявлено в рентгенівському діапазоні, вказує на велику ймовірність того, що джерело знаходиться десь дуже близько до чорної діри. Внутрішні області чорної діри є надзвичайно високоенергетичними середовищами, де рентгенівське випромінювання створюється швидкою гарячою плазмою.

Рентгенівські промені рідше видно на великих відстанях, де газ може повільніше обертатися в акреційному диску. Більш прохолодне середовище диска може випромінювати оптичне та ультрафіолетове світло, але рідко випромінює рентгенівське випромінювання.

«Побачивши щось на рентгенівських променях, це вже означає, що ви досить близько до чорної діри», — каже Кара. «Коли ви бачите мінливість на шкалі часу у хвилинах, це близько до горизонту подій, і перше, про що ви думаєте, — це круговий рух і чи може щось обертатися навколо чорної діри».