Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри

У серці далекої галактики у надмасивної чорної діри, схоже, сталася "гикавка". Міжнародна команда вчених виявила, що раніше спокійна надмасивна чорна діра раптово спалахнула, випускаючи шлейфи газу кожні 8,5 днів, перш ніж повернутися до свого нормального, спокійного стану.

Про відкриття розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Періодична гикавка - це нова поведінка, яка досі не спостерігалася у чорних дір. Вчені вважають, що найбільш вірогідним поясненням спалахів є друга, менша чорна діра, яка обертається навколо центральної, надмасивної чорної діри та періодично виштовхує матеріал з газового диска більшої чорної діри.

Результати дослідження, опубліковані в журналі Science Advances, кидають виклик традиційній картині акреційних дисків чорних дір, які, як вважали вчені, є відносно однорідними газовими дисками, що обертаються навколо центральної чорної діри. Нові результати свідчать про те, що акреційні диски можуть бути більш різноманітними за своїм вмістом, можливо, містити інші чорні діри та навіть цілі зорі.

"Ми думали, що знаємо багато про чорні діри, але це свідчить про те, що вони можуть робити набагато більше", - говорить автор дослідження Дірадж Пашам, науковий співробітник Інституту астрофізики та космічних досліджень ім. Кавлі при MIT. "Ми вважаємо, що таких систем буде набагато більше, і нам просто потрібно зібрати більше даних, щоб їх знайти".

У дослідженні також брали участь науковці з інших установ, включаючи Римський університет "Тор Вергата", Астрономічний інститут Чеської академії наук та Університет Масарика в Чеській Республіці.

"Скористайся, або втратиш"

Висновки команди стали результатом автоматичного виявлення за допомогою ASAS-SN (Автоматизований огляд всього неба для пошуку наднових) - мережі з 20 роботизованих телескопів, розташованих у різних місцях у північній та південній півкулях. Телескопи автоматично оглядають все небо раз на добу для виявлення ознак наднових та інших швидкоплинних явищ.

У грудні 2020 року система ASAS-SN зафіксувала спалах світла у галактиці на відстані близько 800 мільйонів світлових років від нас. Ця конкретна частина неба була відносно тихою та темною до моменту виявлення телескопами, коли галактика раптово стала яскравішою у 1000 разів.

Пашам, який випадково побачив повідомлення про виявлення у спільноті, вирішив зосередитися на спалаху за допомогою NICER (Розвідувач внутрішнього складу нейтронних зір) NASA - рентгенівського телескопа на борту Міжнародної космічної станції, який безперервно стежить за небом на предмет рентгенівських спалахів, що можуть сигналізувати про активність нейтронних зір, чорних дір та інших екстремальних гравітаційних явищ. Час був вдалий, оскільки наближався кінець річного періоду, протягом якого Пашам мав дозвіл наводити, або "запускати" телескоп.

"Або скористатися, або втратити, і це виявилося моєю найщасливішою нагодою", - каже він.

Він навчив NICER спостерігати за далекою галактикою, яка продовжувала спалахувати. Спалах тривав близько чотирьох місяців, перш ніж згас. Протягом цього часу NICER проводив щоденні вимірювання рентгенівського випромінювання галактики з високою частотою. Коли Пашем уважно придивився до даних, він помітив цікаву закономірність у чотиримісячному спалаху: ледь помітні провали у дуже вузькій смузі рентгенівського випромінювання, які, здавалося, з′являлися знову кожні 8,5 днів.

Здавалося, що сплеск енергії галактики періодично затухав кожні 8,5 днів. Сигнал схожий на те, що астрономи бачать, коли орбітальна планета перетинає свою зорю, ненадовго перекриваючи її світло. Але жодна зоря не здатна заблокувати спалах від цілої галактики.

"Я морочив собі голову що це означає, тому що ця закономірність не вписується в те, що ми знаємо про ці системи", - згадує Пашем.

Новини за подібною темою:

У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси

Пробиття

Шукаючи пояснення періодичним провалам, Пашем натрапив на нещодавню статтю фізиків-теоретиків з Чеської Республіки. Вони окремо з′ясували, що теоретично можливо, щоб центральна надмасивна чорна діра галактики містила біля себе другу, набагато меншу чорну діру. Ця менша чорна діра могла б обертатися під кутом до акреційного диска свого більшого компаньйона.

Як припускають теоретики, вторинна періодично пробиватиме диск первинної чорної діри на своїй орбіті. При цьому вона випускатиме шлейф газу, як бджола, що пролітає крізь хмару пилку. Потужні магнітні поля на північ і південь від чорної діри могли б підхопити цей шлейф і виштовхнути його з диска.

Щоразу, коли менша чорна діра пробивала диск, вона викидала новий шлейф, за регулярною, періодичною схемою. Якщо цей шлейф буде спрямований у бік спостережного телескопа, він може побачити його як провал у загальній енергії галактики, що час від часу на короткий час блокує світло диска.

"Мене дуже зацікавила ця теорія, і я одразу ж написав їм електронного листа: "Я думаю, що ми спостерігаємо саме те, що передбачила ваша теорія", - розповідає Пашем.

Він і чеські вчені об′єдналися, щоб перевірити цю ідею за допомогою симуляцій, які включали спостереження NICER за початковим спалахом і регулярними 8,5-денними провалами. Те, що вони знайшли, підтверджує теорію: спостережуваний спалах, схоже що, був сигналом другої, меншої чорної діри, яка обертається навколо центральної надмасивної чорної діри й періодично пробиває її диск.

Зокрема, команда виявила, що галактика була відносно спокійною до виявлення у грудні 2020 року. За оцінками команди, центральна надмасивна чорна діра галактики має масу 50 мільйонів сонць. До спалаху навколо чорної діри міг обертатися слабкий дифузний акреційний диск, оскільки друга, менша чорна діра, розміром від 100 до 10 000 мас Сонця, рухалася по орбіті у відносній невідомості.

Дослідники підозрюють, що у грудні 2020 року третій об′єкт - ймовірно, сусідня зоря - пролетів надто близько до системи та був розірваний на шматки величезною гравітацією надмасивної чорної діри - подія, яку астрономи називають "приливним руйнуванням".

Раптовий приплив зоряного матеріалу на мить прояснив акреційний диск чорної діри, коли уламки зорі закрутилися в чорну діру. Протягом чотирьох місяців чорна діра ласувала зоряними уламками, поки друга чорна діра продовжувала рух по орбіті. Коли вона пробила диск, вона викинула набагато більший шлейф, ніж зазвичай, який потрапив прямо в поле зору NICER.

Команда провела численні симуляції, щоб перевірити періодичні провали. Найбільш вірогідним поясненням, на їхню думку, є новий тип системи, Давида й Голіафа - крихітна чорна діра проміжної маси, що обертається навколо надмасивної чорної діри.

"Це зовсім інший звір", - каже Пашем. "Він не відповідає нічому з того, що ми знаємо про ці системи. Ми бачимо докази того, що об′єкти входять і проходять крізь диск під різними кутами, що кидає виклик традиційній картині простого газового диска навколо чорних дір. Ми вважаємо, що існує величезна популяція цих систем".

"Це блискучий приклад того, як можна використовувати уламки зруйнованої зорі, щоб висвітлити внутрішню частину галактичного ядра, яка інакше залишалася б темною. Це схоже на використання флуоресцентного барвника для пошуку витоку в трубі", - каже Річард Сакстон, рентгенівський астроном з Європейського центру космічної астрономії (ESAC) в Мадриді, Іспанія, який не брав участі у дослідженні. "Цей результат показує, що дуже близькі надмасивні подвійні чорні діри можуть бути поширеними в ядрах галактик, що є дуже цікавим відкриттям для майбутніх детекторів гравітаційних хвиль".

Це дослідження було частково підтримано NASA.

• Чорні діри