Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры

В сердце далекой галактики у сверхмассивной черной дыры, похоже, случилась "икота". Международная команда ученых обнаружила, что ранее спокойная сверхмассивная черная дыра внезапно вспыхнула, выпуская шлейфы газа каждые 8,5 дней, прежде чем вернуться к своему нормальному, спокойному состоянию.

Об открытии рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Периодическая икота - это новое поведение, которое до сих пор не наблюдалось у черных дыр. Ученые считают, что наиболее вероятным объяснением вспышек является вторая, меньшая черная дыра, которая вращается вокруг центральной, сверхмассивной черной дыры и периодически выталкивает материал из газового диска большей черной дыры.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, бросают вызов традиционной картине аккреционных дисков черных дыр, которые, как считали ученые, являются относительно однородными газовыми дисками, вращающимися вокруг центральной черной дыры. Новые результаты свидетельствуют о том, что аккреционные диски могут быть более разнообразными по своему содержанию, возможно, содержать другие черные дыры и даже целые звезды.

"Мы думали, что знаем много о черных дырах, но это свидетельствует о том, что они могут делать гораздо больше", - говорит автор исследования Дирадж Пашам, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли при MIT. "Мы считаем, что таких систем будет гораздо больше, и нам просто нужно собрать больше данных, чтобы их найти".

В исследовании также участвовали ученые из других учреждений, включая Римский университет "Тор Вергата", Астрономический институт Чешской академии наук и Университет Масарика в Чешской Республике.

"Воспользуйся, или потеряешь"

Выводы команды стали результатом автоматического обнаружения с помощью ASAS-SN (Автоматизированный обзор всего неба для поиска сверхновых) - сети из 20 роботизированных телескопов, расположенных в разных местах в северном и южном полушариях. Телескопы автоматически осматривают все небо раз в сутки для выявления признаков сверхновых и других быстротечных явлений.

В декабре 2020 года система ASAS-SN зафиксировала вспышку света в галактике на расстоянии около 800 миллионов световых лет от нас. Эта конкретная часть неба была относительно тихой и темной до момента обнаружения телескопами, когда галактика внезапно стала ярче в 1000 раз.

Пашам, который случайно увидел сообщение об обнаружении в сообществе, решил сосредоточиться на вспышке с помощью NICER (Разведчик внутреннего состава нейтронных звезд) NASA - рентгеновского телескопа на борту Международной космической станции, который непрерывно следит за небом на предмет рентгеновских вспышек, которые могут сигнализировать об активности нейтронных звезд, черных дыр и других экстремальных гравитационных явлений. Время было удачное, поскольку приближался конец годового периода, в течение которого Пашам имел разрешение наводить, или "запускать" телескоп.

"Или воспользоваться, или потерять, и это оказалось моей самой счастливой возможностью", - говорит он.

Он научил NICER наблюдать за далекой галактикой, которая продолжала вспыхивать. Вспышка продолжалась около четырех месяцев, прежде чем погасла. В течение этого времени NICER проводил ежедневные измерения рентгеновского излучения галактики с высокой частотой. Когда Пашем внимательно присмотрелся к данным, он заметил интересную закономерность в четырехмесячной вспышке: едва заметные провалы в очень узкой полосе рентгеновского излучения, которые, казалось, появлялись снова каждые 8,5 дней.

Казалось, что всплеск энергии галактики периодически затухал каждые 8,5 дней. Сигнал похож на то, что астрономы видят, когда орбитальная планета пересекает свою звезду, ненадолго перекрывая ее свет. Но ни одна звезда не способна заблокировать вспышку от целой галактики.

"Я ломал себе голову что это значит, потому что эта закономерность не вписывается в то, что мы знаем об этих системах", - вспоминает Пашем.

Пробитие

В поисках объяснения периодическим провалам, Пашем наткнулся на недавнюю статью физиков-теоретиков из Чешской Республики. Они отдельно выяснили, что теоретически возможно, чтобы центральная сверхмассивная черная дыра галактики содержала возле себя вторую, гораздо меньшую черную дыру. Эта меньшая черная дыра могла бы вращаться под углом к аккреционному диску своего большего компаньона.

Как предполагают теоретики, вторичная периодически будет пробивать диск первичной черной дыры на своей орбите. При этом она будет выпускать шлейф газа, как пчела, пролетающая сквозь облако пыльцы. Мощные магнитные поля к северу и югу от черной дыры могли бы подхватить этот шлейф и вытолкнуть его с диска.

Каждый раз, когда меньшая черная дыра пробивала диск, она выбрасывала новый шлейф, по регулярной, периодической схеме. Если этот шлейф будет направлен в сторону наблюдательного телескопа, он может увидеть его как провал в общей энергии галактики, который время от времени на короткое время блокирует свет диска.

"Меня очень заинтересовала эта теория, и я сразу же написал им электронное письмо: "Я думаю, что мы наблюдаем именно то, что предсказала ваша теория", - рассказывает Пашем.

Он и чешские ученые объединились, чтобы проверить эту идею с помощью симуляций, которые включали наблюдения NICER за начальной вспышкой и регулярными 8,5-дневными провалами. То, что они нашли, подтверждает теорию: наблюдаемая вспышка, похоже, была сигналом второй, меньшей черной дыры, которая вращается вокруг центральной сверхмассивной черной дыры и периодически пробивает ее диск.

В частности, команда обнаружила, что галактика была относительно спокойной до обнаружения в декабре 2020 года. По оценкам команды, центральная сверхмассивная черная дыра галактики имеет массу 50 миллионов солнц. До вспышки вокруг черной дыры мог вращаться слабый диффузный аккреционный диск, поскольку вторая, меньшая черная дыра, размером от 100 до 10 000 масс Солнца, двигалась по орбите в относительной неизвестности.

Исследователи подозревают, что в декабре 2020 года третий объект - вероятно, соседняя звезда - пролетел слишком близко к системе и был разорван на куски огромной гравитацией сверхмассивной черной дыры - событие, которое астрономы называют "приливным разрушением".

Внезапный приток звездного материала на мгновение прояснил аккреционный диск черной дыры, когда обломки звезды закрутились в черную дыру. В течение четырех месяцев черная дыра лакомилась звездными обломками, пока вторая черная дыра продолжала движение по орбите. Когда она пробила диск, она выбросила гораздо больший шлейф, чем обычно, который попал прямо в поле зрения NICER.

Команда провела многочисленные симуляции, чтобы проверить периодические провалы. Наиболее вероятным объяснением, по их мнению, является новый тип системы, Давида и Голиафа - крошечная черная дыра промежуточной массы, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры.

"Это совсем другой зверь", - говорит Пашем. "Он не соответствует ничему из того, что мы знаем об этих системах. Мы видим доказательства того, что объекты входят и проходят сквозь диск под разными углами, что бросает вызов традиционной картине простого газового диска вокруг черных дыр. Мы считаем, что существует огромная популяция этих систем".

"Это блестящий пример того, как можно использовать обломки разрушенной звезды, чтобы осветить внутреннюю часть галактического ядра, которая иначе оставалась бы темной. Это похоже на использование флуоресцентного красителя для поиска утечки в трубе", - говорит Ричард Сакстон, рентгеновский астроном из Европейского центра космической астрономии (ESAC) в Мадриде, Испания, который не участвовал в исследовании. "Этот результат показывает, что очень близкие сверхмассивные двойные черные дыры могут быть распространенными в ядрах галактик, что является очень интересным открытием для будущих детекторов гравитационных волн".

Это исследование было частично поддержано NASA.