Астрономи використовують "космічну ехолокацію" для картування околиць чорної діри

Матеріал, падаючи в чорну діру, викидає рентгенівські промені в космос - і тепер астрономи використовують відлуння цього випромінення для картування динамічної поведінки та оточення самої чорної діри.

Про це розповідають в Кембриджському університеті.

Більшість чорних дір занадто малі на небі для нас, щоб визначити їх найближче оточення, але ми все одно можемо досліджувати ці загадкові об’єкти, спостерігаючи за тим, як поводиться матерія, коли наближається і потрапляє в них.

Коли матерія спірально прямує до чорної діри, вона нагрівається та випускає рентгенівські промені, які, у свою чергу відлунюються і реверберують під час взаємодії з газом, що знаходиться поруч. Ці регіони космосу сильно спотворені та викривлені через екстримальну природу та нищівну гравітацію чорної діри.

На даний час дослідники використовують рентгенівську обсерваторію Європейського космічного агентства XMM-Newton для відстеження цих світлових ехо-сигналів і картування оточення чорної діри в ядрі активної галактики. Результати їх роботи опублікував журнал Nature Astronomy.

Звана IRAS 13224–3809, галактика цієї чорної діри є одним із найбільш змінних джерел рентгенівського випромінювання в небі: вона зазнає дуже великих та швидких коливань яскравості, по 50 що кілька годин.

"Кожному знайомо, як відлуння його голосу звучить по-різному, коли він розмовляє в приміщенні класу у порівнянні з кафедральним собором - це відбувається просто завдяки геометрії та матеріалам кімнат, які змушують звук поводитися та відскакувати усюди по-різному", - сказав доктор Вільям Елстон з Кембриджського інституту астрономії, провідний автор нового дослідження.

"Подібним чином ми можемо спостерігати, як відлуння рентгенівського випромінювання поширюється в околицях чорної діри, щоб картувати геометрію регіону та стан згустку матерії до того, як він зникне в сингулярності. Це дещо схоже на космічну ехолокацію", - додав д-р Елстон.

Оскільки динаміка газу, що падає в чорну діру, сильно пов′язана з властивостями чорної діри, Елстон та його колеги також змогли визначити масу і спін центральної чорної діри галактики, спостерігаючи за властивостями матерії, в міру того, як вона спірально рухається всередину.

Матеріал утворює диск, коли він падає в чорну діру. Над цим диском знаходиться область гарячих електронів - з температурою близько мільярда градусів, - яка називається короною. Хоча вчені очікували побачити ревербераційне відлуння, яке вони використовували для картування геометрії регіону, вони також помітили дещо несподіване: сама корона швидко змінилася у розмірах за лічені дні.

Новини за подібною темою:

		"Вебб" виявив, що чорні діри швидко зупиняють зореутворення у масивних галактиках
		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри

"У міру зміни розміру корони змінюється і світлове відлуння - трохи схоже, ніби стеля собору рухається вгору і вниз, змінюючи звучання відлуння вашого голосу", - сказав Елстон.

"Відслідковуючи світлові відлуння, ми змогли відстежити цю мінливу корону і - що більш цікаве - отримати набагато кращі значення маси чорної діри та спіну, ніж ми могли б визначити, якби корона не змінювалася за розмірами. Ми знаємо, що маса чорної діри не може коливатися, тому будь-які зміни у відлунні повинні відноситися до газоподібного середовища".

У дослідженні використовувалося найдовше спостереження за чорною дірою, що акреціює, коли-небудь зроблене за допомогою обсерваторії XMM-Newton на понад 16 орбітах апарату впродовж 2011-2016 років, загальною тривалістю 2 мільйони секунд - трохи більше 23 днів. Це, в поєднанні з сильною та короткотривалою мінливістю самої чорної діри, дозволило Елстону та його колегам всебічно моделювати відлуння в денних часових масштабах.

Досліджений у цьому вченні регіон недоступний для таких обсерваторій, як телескоп "Горизонт подій", якому вдалося зробити перший в історії знімок газу в безпосередній близькості від чорної діри - тієї, що знаходиться у центрі сусідньої масивної галактики M87. Результат, заснований на спостереженнях, виконаних на радіотелескопах по всьому світу у 2017 році та опублікований минулого року, став глобальною сенсацією.

"Зображення телескопа "Горизонт подій" було отримано за допомогою методу, відомого як інтерферометрія - методу, який може працювати лише на кількох найближчих до Землі надмасивних чорних дірах, таких, як у M87 та в нашій рідній галактиці Чумацький Шлях, оскільки їх видимий розмір на небі досить великий, щоб метод працював", - сказав співавтор Майкл Паркер, науковий співробітник ESA в Європейському центрі космічної астрономії поблизу Мадрида.

"Навпаки, наш підхід здатний зондувати найближчі кілька сотень надмасивних чорних дір, які активно споживають матерію - і ця кількість значно зросте із запуском супутника ESA Афіна", - додав він.

Характеризація середовища, що тісно оточує чорні діри, є основною науковою метою для місії ESA Афіна, запуск якої заплановано на початок 2030-х років і відкриє таємниці гарячого та енергійного Всесвіту.

Вимірювання маси, спіну та швидкості акреції з великої вибірки чорних дір є ключом для розуміння гравітації у всьому космосі. Крім того, оскільки надмасивні чорні діри тісно пов′язані з властивостями своїх галактик-господарів, ці дослідження також є ключом для поглиблення нашого розуміння того, як галактики утворюються та розвиваються з часом.

"Великий набір даних, наданий XMM-Newton, був важливим для цього результату, - каже Норберт Шартель, науковий співробітник проекту ESA XMM-Newton. - Ревербераційне картування - це техніка, яка обіцяє розкрити багато чого про чорні діри та про решту Всесвіту в найближчі роки. Я сподіваюсь, що XMM-Newton здійснить аналогічні кампанії зі спостереження за кількома більш активними галактиками в найближчі роки, так що метод буде повністю встановлений, коли запуститься Афіна".

Читайте ще цікаві новини про космос.

• Чорні діри