Астрономы используют "космическую эхолокацию" для картирования окрестностей черной дыры

Материал, падающий в черную дыру, выбрасывает рентгеновские лучи в космос - и теперь астрономы используют эхо этого излучения для картирования динамического поведения и окружения самой черной дыры.

Об этом рассказывают в Кембриджском университете.

Большинство черных дыр слишком малы на небе для нас, чтобы мы могли определить их ближайшее окружение, но мы все еще можем исследовать эти таинственные объекты, наблюдая за тем, как ведет себя материя, когда приближается и падает в них.

Когда материя спирально направляется к черной дыре, она нагревается и испускает рентгеновские лучи, которые, в свою очередь отражаются и реверберируют при взаимодействии с газом, находящимся рядом. Эти регионы космоса сильно искажены и искривлены из-за экстремальной природы и сокрушительной гравитации черной дыры.

В настоящее время исследователи используют рентгеновскую обсерваторию Европейского космического агентства XMM-Newton для отслеживания этих световых эхо-сигналов и картирования окружения черной дыры в ядре активной галактики. Результаты их работы опубликовал журнал Nature Astronomy.

Называемая IRAS 13224-3809, галактика этой черной дыры является одним из самых переменных источников рентгеновского излучения в небе: она претерпевает очень большие и быстрые колебания яркости, по 50 за несколько часов.

"Каждому знакомо, как эхо его голоса звучит по-разному, когда он говорит в помещении класса по сравнению с кафедральным собором - это происходит просто благодаря геометрии и материалам комнат, которые заставляют звук вести себя и отскакивать всюду по-разному", - сказал доктор Уильям Элстон из Кембриджского института астрономии, ведущий автор нового исследования.

"Подобным образом мы можем наблюдать, как эхо рентгеновского излучения распространяется в окрестностях черной дыры, чтобы картировать геометрию региона и состояние сгустка материи до того, как он исчезнет в сингулярности. Это немного похоже на космическую эхолокацию", - добавил д-р Элстон.

Поскольку динамика падающего газа сильно связана со свойствами потребляющей черной дыры, Элстон и его коллеги также смогли определить массу и спин центральной черной дыры галактики, наблюдая за свойствами материи, по мере того, как она спирально движется внутрь.

Материал образует диск, когда он падает в черную дыру. Над этим диском находится область горячих электронов - с температурой около миллиарда градусов, - которая называется короной. Хотя ученые ожидали увидеть реверберационное эхо, которое они использовали для картирования геометрии региона, они также заметили нечто неожиданное: сама корона быстро изменилась в размерах за считанные дни.

Новости по подобной теме:

		В нашей галактике найдена самая массивная черная дыра звездной массы
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам

"По мере изменения размера короны меняется и световое эхо - немного похоже, будто потолок собора движется вверх и вниз, изменяя звучание эха вашего голоса", - сказал Элстон.

"Отслеживая световые эхо, мы смогли отследить эту изменчивую корону и - что более интересное - получить гораздо лучшие значения массы черной дыры и спина, чем мы могли бы определить, если бы корона не менялась по размерам. Мы знаем, что масса черной дыры не может колебаться, поэтому любые изменения в эхо-сигнале должны относиться к газообразной среде".

В исследовании использовалось самое длительное наблюдение за аккрецирующей черной дырой, когда-либо сделанное с помощью обсерватории XMM-Newton более чем на 16 орбитах аппарата в течение 2011-2016 годов, общей продолжительностью 2 миллиона секунд - немного более 23 дней. Это, в сочетании с сильной и кратковременной изменчивостью самой черной дыры, позволило Элстону и его коллегам всесторонне моделировать эхо в дневных временных масштабах.

Исследуемый в этом учении регион недоступен для таких обсерваторий, как телескоп "Горизонт событий", которому удалось сделать первый в истории снимок газа в непосредственной близости от черной дыры - той, которая находится в центре соседней массивной галактики M87. Результат, основанный на наблюдениях, проведенных на радиотелескопах по всему миру в 2017 году и опубликованный в прошлом году, стал глобальной сенсацией.

"Изображение с телескопа "Горизонт событий" было получено с помощью метода, известного как интерферометрия - метод, который может работать только на нескольких ближайших к Земле супермассивных черных дырах, таких, как в M87 и в нашей родной галактике Млечный Путь, потому что их видимые размеры на небе достаточно велики, чтобы метод работал", - говорит соавтор Майкл Паркер, научный сотрудник ЕКА в Европейском центре космической астрономии недалеко от Мадрида.

"Наоборот, наш подход способен зондировать ближайшие несколько сотен сверхмассивных черных дыр, которые активно потребляют материю - и это количество значительно возрастет с запуском спутника ЕКА Афина", - добавил он.

Характеризация среды, тесно окружающей черные дыры, является основной научной целью для миссии ЕКА Афина, запуск которой запланирован на начало 2030-х годов и откроет тайны горячей и энергичной Вселенной.

Измерение массы, спина и скорости аккреции из большой выборки черных дыр является ключом для понимания гравитации во всем космосе. Кроме того, поскольку сверхмассивные черные дыры тесно связаны со свойствами своих галактик-хозяев, эти исследования также являются ключом для углубления нашего понимания того, как галактики образуются и развиваются с течением времени.

"Большой набор данных, предоставленный XMM-Newton, был важным для этого результата, - говорит Норберт Шартель, научный сотрудник проекта ЕКА XMM-Newton. - Реверберационное картирование - это техника, которая обещает раскрыть многое о черных дырах и о другом во Вселенной в ближайшие годы. Я надеюсь, что XMM-Newton осуществит аналогичные кампании по наблюдению за несколькими более активными галактиками в ближайшие годы, так что метод будет полностью установлен, когда запустится Афина".

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Черные дыры