Рентгеновские вспышки от сверхмассивной черной дыры загадочным образом ускоряются

Астрономы предполагают, что источником загадочно ускоряющихся рентгеновских вспышек может быть ядро мертвой звезды, которая балансирует на грани невозврата черной дыры.

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

В течение последних нескольких лет одна сверхмассивная черная дыра не дает астрономам оторваться от своих телескопов. Сначала неожиданное исчезновение, а теперь — опасное вращение.

Черная дыра 1ES 1927+654 имеет массу около миллиона солнц и находится в галактике, удаленной от нас на 270 миллионов световых лет. В 2018 году астрономы наблюдали, как ее корона — облако бурлящей раскаленной плазмы — внезапно исчезла, а через несколько месяцев снова собралась. Такое короткое, но драматическое отключение стало первым случаем в астрономии черных дыр.

Теперь ту самую черную дыру уличили в еще более беспрецедентном поведении.

Астрономы обнаружили вспышки рентгеновского излучения, исходившие из черной дыры с постоянным ростом периодичности. В течение двух лет частота вспышек на миллигерцовых частотах выросла с каждых 18 минут до каждых семи минут. Такого резкого ускорения рентгеновского излучения от черной дыры до сих пор не наблюдалось.

Исследователи рассмотрели ряд сценариев, которые могли бы объяснить эти вспышки. Они считают, что наиболее вероятным виновником является вращающийся белый карлик — чрезвычайно компактное ядро мертвой звезды, которое вращается вокруг черной дыры и опасно приближается к ее горизонту событий, границе, за которой ничто не может вырваться от гравитационного притяжения черной дыры. Если это так, то белый карлик, по-видимому, выполняет удивительный акт балансировки, поскольку он может приблизиться к краю черной дыры, но не упасть в нее.

"Это был бы ближайший объект среди известных нами вокруг черной дыры", - говорит Меган Мастерсон, аспирант по физике в MIT, которая была соавтором открытия. "Это говорит нам о том, что такие объекты, как белые карлики, могут жить очень близко к горизонту событий в течение относительно длительного времени".

Исследователи представили свои результаты на 245-м заседании Американского астрономического общества.

Если в основе таинственного вспыхивания черной дыры лежит белый карлик, он также излучает гравитационные волны в диапазоне, который могут обнаружить обсерватории следующего поколения, такие как Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) Европейского космического агентства.

"Эти новые детекторы предназначены для обнаружения колебаний в масштабе минут, поэтому эта система черных дыр находится в этой "золотой середине", - говорит соавтор исследования Эрин Кара, доцент кафедры физики в MIT.

Сверхмассивная черная дыра, совершенно не похожая на обычную

Кара и Мастерсон были частью команды, которая наблюдала 1ES 1927+654 в 2018 году, когда корона черной дыры потемнела, а затем медленно восстанавливалась со временем. Некоторое время вновь созданная корона — облако высокоэнергетической плазмы и рентгеновского излучения — была самым ярким рентгеновским объектом на небе.

"Она все еще была чрезвычайно яркой, хотя уже несколько лет не делала ничего нового и как будто булькала. Но мы чувствовали, что должны продолжать наблюдать за ней, ведь она была такой красивой", - рассказывает Кара. "Затем мы заметили кое-что, чего никогда раньше не видели".

В 2022 году команда просматривала наблюдения за черной дырой, сделанные аппаратом Европейского космического агентства XMM-Newton — космической обсерваторией, которая обнаруживает и измеряет рентгеновское излучение от черных дыр, нейтронных звезд, галактических скоплений и других экстремальных космических источников. Они заметили, что рентгеновское излучение от черной дыры пульсирует с ростом частоты. Такие "квазипериодические колебания" наблюдались лишь в нескольких других сверхмассивных черных дырах, где рентгеновские вспышки появляются с регулярной частотой.

В случае 1ES 1927+654 мерцание, казалось, неуклонно возрастало с каждых 18 минут до каждых семи минут в течение двух лет.

"Мы никогда не видели такой драматической изменчивости в частоте вспышек", - говорит Мастерсон. "Это совершенно не похоже на обычную сверхмассивную черную дыру".

Тот факт, что вспышки были обнаружены в рентгеновском диапазоне, указывает на высокую вероятность того, что источник находится где-то очень близко к черной дыре. Самые внутренние области черной дыры — это чрезвычайно высокоэнергетическая среда, где рентгеновское излучение вырабатывается быстро движущейся горячей плазмой. Рентгеновское излучение менее вероятно на более дальних расстояниях, где газ медленнее вращается в аккреционном диске. Более холодная среда диска может излучать оптический и ультрафиолетовый свет, но редко излучает рентгеновские лучи.

"Если вы видите что-то в рентгеновских лучах, это уже говорит вам о том, что вы достаточно близко к черной дыре", - говорит Кара. "Когда вы видите изменчивость во временном масштабе минут, это уже близко к горизонту событий, и первое, о чем вы думаете, — это круговое движение и то, может ли что-то вращаться вокруг черной дыры".

Подталкивание к рентгеновскому излучению

Что бы ни вызывало рентгеновские вспышки, оно делало это на чрезвычайно близком расстоянии от черной дыры, по оценкам исследователей, находясь в пределах нескольких миллионов километров от горизонта событий.

Мастерсон и Кара исследовали модели различных астрофизических явлений, которые могли бы объяснить наблюдаемые ими рентгеновские паттерны, в том числе возможность, связанную с короной черной дыры.

"Одна из идей заключается в том, что эта корона колеблется, возможно, пульсирует туда-сюда, и если она начинает сжиматься, то эти колебания ускоряются, поскольку масштабы уменьшаются", - говорит Мастерсон. "Но мы находимся на очень ранних стадиях понимания корональных колебаний".

Другой многообещающий сценарий, который ученые лучше понимают с точки зрения физики, связан с белым карликом-сорвиголовой. Согласно моделированию, исследователи подсчитали, что белый карлик мог бы составлять около одной десятой массы Солнца. В отличие от него, самая сверхмассивная черная дыра имеет массу около 1 миллиона Солнц.

Когда любой объект приближается так близко к сверхмассивной черной дыре, ожидается, что излучаются гравитационные волны, которые тянут объект ближе к черной дыре. Приближаясь, белый карлик движется с большей скоростью, что может объяснить увеличение частоты рентгеновских колебаний, которые наблюдала команда.

Белый карлик находится практически на грани невозврата и, по оценкам, всего в нескольких миллионах километров от горизонта событий. Однако исследователи прогнозируют, что звезда не упадет внутрь. Хотя гравитация черной дыры может втянуть белый карлик внутрь, звезда также сбрасывает часть своего внешнего слоя в черную дыру. Этот сброс действует как небольшая отдача, благодаря чему белый карлик — сам по себе невероятно компактный объект — может противостоять пересечению границы черной дыры.

"Поскольку белые карлики маленькие и компактные, их очень трудно разорвать на части, поэтому они могут оказаться очень близко к черной дыре", - говорит Кара. "Если этот сценарий правильный, то этот белый карлик находится прямо в точке разворота, и мы можем увидеть, как он удаляется".

Команда планирует продолжить наблюдения за системой с помощью имеющихся и будущих телескопов, чтобы лучше понять экстремальную физику, которая действует в самой внутренней среде черной дыры. Особенно интересно изучать систему будет после запуска космического детектора гравитационных волн LISA, что сейчас запланировано на середину 2030-х годов, поскольку гравитационные волны, которые должна излучать система, будут находиться в "сладкой точке", которую LISA сможет четко обнаружить.

"Единственное, чему я научилась, изучая этот источник, — это никогда не прекращать наблюдать за ним, потому что он, вероятно, научит нас чему-то новому", — говорит Мастерсон. "Следующий шаг — это просто держать глаза открытыми".

.

• Черные дыры
• Белый карлик