Надмасивні чорні діри пожирають газ так само, як їх дрібні колеги

Результати більше ніж дворічних спостережень за надмасивною чорною дірою, що була пробуджена зіркою, показали, що вона споживає матеріал подібно до чорних дір зоряної маси.

Про це розповідається в прес-релізі Массачусетського технологічного інституту (MIT).

9 вересня 2018 року астрономи помітили спалах з галактики, розташованої на відстані 860 мільйонів світлових років від нас. Джерелом була надмасивна чорна діра, яка приблизно в 50 мільйонів разів перевищувала масу Сонця. Зазвичай тихий, гравітаційний велетень раптово прокинувся для того, щоб поглинути зірку, що проходила повз, у незвичному дійстві, відомому як подія припливного руйнування. У міру того, як зоряні залишки падали до чорної діри, вони виділяли величезну кількість енергії у вигляді світла.

Дослідники з MIT, Європейської південної обсерваторії та інших країн використовували кілька телескопів для спостереження за подією, позначеною як AT2018fyk. На їх подив, вони відмітили, що коли надмасивна чорна діра поглинала зірку, вона виявляла властивості, подібні до властивостей набагато менших чорних дір із зоряною масою.

Результати, опубліковані 17 травня 2021 року в Astrophysical Journal, дозволяють припустити, що акреція, або спосіб еволюції чорних дір в процесі споживання матеріалу не залежить від їх розміру.

"Ми продемонстрували, що якщо ви бачили одну чорну діру, ви бачили їх усіх у певному сенсі", - говорить автор дослідження Дірадж "DJ" Пашам, науковий співробітник Інституту астрофізики та космічних досліджень імені Кавлі в MIT. "Коли ви кидаєте в них газовий м’ячик, всі вони, схоже що, роблять більш-менш одне і те ж. З точки зору своєї акреції, вони один і той же звір".

Серед співавторів Пашама — головний науковий співробітник Рональд Реміллард та колишній аспірант Аніруд Чіті з Массачусетського технологічного інституту, а також дослідники з Європейської південної обсерваторії, Кембриджського університету, Лейденського університету, Нью-Йоркського університету, Університету Меріленда, Університету Кертіна, Амстердамського університету та Центру космічних польотів NASA імені Годдарда.

Пробудження зіркою

Коли невеликі чорні діри зоряної маси, маса яких приблизно в 10 разів більше нашого Сонця, випромінюють спалах світла, це часто відбувається у відповідь на приплив матеріалу від зірки-компаньйона. Цей спалах радіації відмічає специфічну еволюцію регіону навколо чорної діри. З періоду спокою чорна діра переходить у "м’яку" фазу, в якій домінує акреційний диск, коли зоряний матеріал втягується в чорну діру. У міру зменшення притоку матеріалу вона знову переходить у "жорстку" фазу, коли переважає розжарена корона. Чорна діра врешті повертається до стійкого спокою, і весь цей цикл акреції може тривати від кількох тижнів до місяців.

Фізики спостерігали цей характерний цикл акреції у багатьох чорних дір зоряної маси протягом кількох десятиліть. Але вважалося, що для надмасивних чорних дір цей процес займе занадто багато часу для того, щоб його захопити повністю, оскільки ці голіафи зазвичай пасуться, повільно харчуючись газом у центральних районах галактики.

"Цей процес зазвичай проходить у надмасивних чорних дір упродовж тисяч років", - говорить Пашам. "Люди не можуть так довго чекати, щоб зловити щось подібне".

Але весь цей процес прискорюється, коли чорна діра зазнає раптовий, величезний приплив матеріалу, наприклад, під час припливного руйнування, коли зірка наближається досить близько, щоб чорна діра могла припливно розірвати її на клаптики.

"При припливному руйнуванні все відбувається різко", - говорить Пашам. "Вам раптово кидають шматок газу, і чорна діра раптово прокидається, і типу: “Ой, стільки їжі - дозвольте мені просто їсти, їсти, їсти, поки їжа не закінчиться”. Таким чином, вона переживає все за короткий проміжок часу. Це дозволяє нам досліджувати всі ці різні стадії акреції, які були відомі людям у чорних дірах зоряної маси".

Надмасивний цикл

У вересні 2018 року Автоматизований огляд наднових у всьому небі (ASASSN) підхопив сигнали раптового спалаху. Згодом вчені встановили, що спалах був наслідком події припливного руйнування за участю надмасивної чорної діри, яку вони позначили як TDE AT2018fyk. Пашам та його колеги відразу відреагували на тривогу та змогли скерувати на цю систему кілька телескопів, кожен з яких був натренований картографуванню різних діапазонів ультрафіолетового та рентгенівського спектрів.

Команда збирала дані протягом двох років, використовуючи рентгенівські космічні телескопи XMM-Newton та “Чандру”, а також NICER - прилад для рентгенівського моніторингу на борту Міжнародної космічної станції, та обсерваторію Свіфт, наряду з радіотелескопами в Австралії.

"Ми спіймали чорну діру в м'якому стані, коли формується акреційний диск, і більша частина випромінювання відбувається в ультрафіолеті і дуже мало у рентгені", - говорить Пашам. "Потім диск колапсував, корона стала міцнішою, і тепер вона дуже яскрава на рентгенівських променях. Врешті-решт газу, яким можна харчуватися, стає мало, і загальна світність падає і повертається до рівнів не виявлення".

Дослідники підрахували, що чорна діра припливно зруйнувала зірку розміром із наше Сонце. В процесі цього вона створила величезний акреційний диск, шириною близько 12 мільярдів кілометрів, і випустила газ, температура якого, за оцінками вчених, становила близько 40 000 Кельвінів, або більше 39 000 градусів за Цельсієм. Коли диск став слабшим і менш яскравим, корона з компактних високоенергетичних рентгенівських променів взяла на себе роль домінуючої фази навколо чорної діри, перш ніж врешті-решт згасла.

"Люди знали, що цей цикл відбувається в чорних дірах із зоряною масою, які мають лише близько 10 сонячних мас. Зараз ми бачимо це у дечому у 5 мільйонів разів більшому", - говорить Пашам.

"Найбільш захоплюючою перспективою на майбутнє є те, що такі події припливного руйнування дають змогу побачити утворення складних структур, близьких до надмасивної чорної діри, таких як акреційний диск і корона", - говорить провідний автор Томас Веверс, співробітник Європейської південної обсерваторії. "Вивчаючи, як ці структури утворюються та взаємодіють в екстремальних умовах після руйнування зірки, ми можемо почати краще розуміти основні фізичні закони, що регулюють їх існування".

Окрім того, що результати дослідження показують, що чорні діри зазнають акрецію однаково, незалежно від їх розміру, вони також показують, що це лише другий раз, коли вчені захопили утворення корони від початку до кінця.

"Корона — це дуже загадкова сутність, і у випадку надмасивних чорних дір люди вивчали вже усталені корони, але не знають, коли і як вони утворилися", - говорить Пашам. "Ми продемонстрували, що ви можете використовувати події припливного руйнування для захоплення утворення корони. Я радий використовувати ці події в майбутньому, щоб з’ясувати, що саме являє собою корона".

Це дослідження було частково підтримано урядом Австралії через схему фінансування Discovery Projects Австралійської дослідницької ради.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.