Рентгенівські спалахи від надмасивної чорної діри загадковим чином прискорюються

Астрономи припускають, що джерелом рентгенівських спалахів, що загадково прискорюються, може бути ядро мертвої зорі, яке балансує на межі неповернення чорної діри.

Про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Протягом останніх кількох років одна надмасивна чорна діра не дає астрономам відірватися від своїх телескопів. Спочатку несподіване зникнення, а тепер — небезпечне обертання.

Чорна діра 1ES 1927+654 має масу близько мільйона сонць і знаходиться в галактиці, віддаленій від нас на 270 мільйонів світлових років. У 2018 році астрономи спостерігали, як її корона — хмара вируючої розпеченої плазми — раптово зникла, а через кілька місяців знову зібралася. Таке коротке, але драматичне відключення стало першим випадком в астрономії чорних дір.

Тепер ту саму чорну діри викрили на ще більш безпрецедентній поведінці.

Астрономи виявили спалахи рентгенівського випромінювання, що виходили з чорної діри з постійним зростанням періодичності. Протягом двох років частота спалахів на мілігерцових частотах зросла з кожних 18 хвилин до кожних семи хвилин. Такого різкого прискорення рентгенівського випромінювання від чорної діри досі не спостерігалося.

Дослідники розглянули низку сценаріїв, які могли б пояснити ці спалахи. Вони вважають, що найімовірнішим винуватцем є обертовий білий карлик — надзвичайно компактне ядро мертвої зорі, яке обертається навколо чорної діри й небезпечно наближається до її горизонту подій, межі, за якою ніщо не може вирватися від гравітаційного тяжіння чорної діри. Якщо це так, то білий карлик, мабуть, виконує дивовижний акт балансування, оскільки він може наблизитися до краю чорної діри, але не впасти в неї.

"Це був би найближчий об′єкт серед відомих нами навколо чорної діри", - каже Меган Мастерсон, аспірантка з фізики в MIT, яка була співавтором відкриття. "Це говорить нам про те, що такі об′єкти, як білі карлики, можуть жити дуже близько до горизонту подій протягом відносно тривалого часу".

Дослідники представили свої результати на 245-му засіданні Американського астрономічного товариства.

Якщо в основі таємничого спалахування чорної діри лежить білий карлик, він також випромінює гравітаційні хвилі в діапазоні, який можуть виявити обсерваторії наступного покоління, такі як Космічна антена лазерного інтерферометра (LISA) Європейського космічного агентства.

"Ці нові детектори призначені для виявлення коливань в масштабі хвилин, тому ця система чорних дір знаходиться в цій "золотій середині", - каже співавтор дослідження Ерін Кара, доцент кафедри фізики в MIT.

Надмасивна чорна діра, абсолютно не схожа на звичайну

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

"Вона все ще була надзвичайно яскравою, хоча вже кілька років не робила нічого нового й ніби булькотіла. Але ми відчували, що повинні продовжувати спостерігати за нею, адже вона була такою гарною", - розповідає Кара. "Потім ми помітили дещо, чого ніколи раніше не бачили".

У 2022 році команда переглядала спостереження за чорною дірою, зроблені апаратом Європейського космічного агентства XMM-Newton — космічною обсерваторією, яка виявляє й вимірює рентгенівське випромінювання від чорних дір, нейтронних зірок, галактичних скупчень та інших екстремальних космічних джерел. Вони помітили, що рентгенівське випромінювання від чорної діри пульсує зі зростанням частоти. 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 з кожних 18 хвилин до кожних семи хвилин протягом двох років.

"Ми ніколи не бачили такої драматичної мінливості в частоті спалахів", - каже Мастерсон. "Це абсолютно не схоже на звичайну надмасивну чорну діру".

Той факт, що спалахи були виявлені в рентгенівському діапазоні, вказує на високу ймовірність того, що джерело знаходиться десь дуже близько до чорної діри. Найвнутрішні області чорної діри — це надзвичайно високоенергетичне середовище, де рентгенівське випромінювання виробляється швидко рухомою гарячою плазмою. Рентгенівське випромінювання менш ймовірне на більш далеких відстанях, де газ повільніше обертається в акреційному диску. Холодніше середовище диска може випромінювати оптичне та ультрафіолетове світло, але рідко випромінює рентгенівські промені.

"Якщо ви бачите щось в рентгенівських променях, це вже говорить вам про те, що ви досить близько до чорної діри", - каже Кара. "Коли ви бачите мінливість у часовому масштабі хвилин, це вже близько до горизонту подій, і перше, про що ви думаєте, — це круговий рух і те, чи може щось обертатися навколо чорної діри".

Підштовхування до рентгенівського випромінювання

Що б не спричиняло рентгенівські спалахи, воно робило це на надзвичайно близькій відстані від чорної діри, за оцінками дослідників, знаходячись в межах кількох мільйонів кілометрів від горизонту подій.

Мастерсон і Кара дослідили моделі різних астрофізичних явищ, які могли б пояснити спостережувані ними рентгенівські патерни, в тому числі можливість, пов′язану з короною чорної діри.

"Одна з ідей полягає в тому, що ця корона коливається, можливо, пульсує туди-сюди, і якщо вона починає стискатися, то ці коливання пришвидшуються, оскільки масштаби зменшуються", - каже Мастерсон. "Але ми перебуваємо на дуже ранніх стадіях розуміння корональних коливань".

Інший багатообіцяльний сценарій, який вчені краще розуміють з погляду фізики, пов′язаний з білим карликом-шибайголовою. Згідно з моделюванням, дослідники підрахували, що білий карлик міг би становити близько однієї десятої маси Сонця. На відміну від нього, сама надмасивна чорна діра має масу близько 1 мільйона Сонць.

Коли будь-який об′єкт наближається так близько до надмасивної чорної діри, очікується, що випромінюються гравітаційні хвилі, які тягнуть об′єкт ближче до чорної діри. Наближаючись, білий карлик рухається з більшою швидкістю, що може пояснити збільшення частоти рентгенівських коливань, які спостерігала команда.

Білий карлик знаходиться практично на межі неповернення та, за оцінками, всього в декількох мільйонах кілометрів від горизонту подій. Однак дослідники прогнозують, що зоря не впаде всередину. Хоча гравітація чорної діри може втягнути білий карлик всередину, зоря також скидає частину свого зовнішнього шару в чорну діру. Це скидання діє як невелика віддача, завдяки чому білий карлик — сам по собі неймовірно компактний об′єкт — може протистояти перетину межі чорної діри.

"Оскільки білі карлики маленькі й компактні, їх дуже важко розірвати на частини, тому вони можуть опинитися дуже близько до чорної діри", - каже Кара. "Якщо цей сценарій правильний, то цей білий карлик знаходиться прямо в точці розвороту, і ми можемо побачити, як він віддаляється".

Команда планує продовжити спостереження за системою за допомогою наявних і майбутніх телескопів, щоб краще зрозуміти екстремальну фізику, яка діє у найвнутрішньому середовищі чорної діри. Особливо цікаво вивчати систему буде після запуску космічного детектора гравітаційних хвиль LISA, що наразі заплановано на середину 2030-х років, оскільки гравітаційні хвилі, які повинна випромінювати система, будуть знаходитися в "солодкій точці", яку LISA зможе чітко виявити.

"Єдине, чого я навчилася, вивчаючи це джерело, — це ніколи не припиняти спостерігати за ним, тому що воно, ймовірно, навчить нас чогось нового", - каже Мастерсон. "Наступний крок — це просто тримати очі відкритими".

.

• Чорні діри
• Білий карлик