Астрономы обнаружили беспрецедентные особенности на краю активной черной дыры

Фото из открытых источников

Международные группы астрономов, наблюдающие за сверхмассивной черной дырой в сердце далекой галактики, обнаружили ранее невиданные особенности, используя данные миссий NASA и других объектов. Среди особенностей — запуск струи плазмы, движущейся со скоростью почти в треть скорости света, и необычные, быстрые рентгеновские флуктуации, вероятно, возникающие вблизи самого края черной дыры.

Источником является 1ES 1927+654, галактика, расположенная примерно в 270 миллионах световых лет от нас в созвездии Дракона. Она содержит в себе центральную черную дыру с массой, эквивалентной примерно 1,4 миллионам Солнц.

«В 2018 году черная дыра начала менять свои свойства прямо на наших глазах, вызвав мощную оптическую, ультрафиолетовую и рентгеновскую вспышку», — сказала Эйлин Мейер из UMBC (Университет Мэриленда, округ Балтимор). «С тех пор многие команды пристально следят за ней».

Статья, описывающая результаты нового исследования, была опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

После вспышки черная дыра, по-видимому, вернулась в спокойное состояние, с затишьем в активности в течение почти года. Но к апрелю 2023 года группа под руководством Сибасиша Лаха из UMBC и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, отметила устойчивый, многомесячный рост низкоэнергетического рентгеновского излучения в измерениях обсерватории Нила Герелса Свифт НАСА и телескопа NICER (Исследователь внутреннего состава нейтронных звезд) на Международной космической станции. Эта программа мониторинга, которая также включает наблюдения с помощью миссии NuSTAR (Ядерный спектроскопический телескоп) НАСА и миссии XMM-Newton ЕКА (Европейское космическое агентство), продолжается.

Увеличение рентгеновского излучения побудило команду UMBC провести новые радионаблюдения, которые указали на мощную и крайне необычную радиовспышку. Затем ученые начали интенсивные наблюдения с использованием VLBA (Very Long Baseline Array) NRAO (Национальная радиоастрономическая обсерватория) и других объектов.

VLBA, сеть радиотелескопов, разбросанных по всей территории США, объединяет сигналы с отдельных тарелок, чтобы создать мощную радиокамеру высокого разрешения. Это позволяет VLBA обнаруживать объекты размером менее светового года в поперечнике на расстоянии 1ES 1927+654.

Радиоданные за февраль, апрель и май 2024 года показывают, что с обеих сторон черной дыры простираются струи ионизированного газа или плазмы, общим размером около половины светового года. Астрономы долго ломали голову над тем, почему только часть гигантских черных дыр производят мощные плазменные струи, и эти наблюдения могут дать важные подсказки.

«Запуск струи черной дыры никогда ранее не наблюдался в реальном времени», — отметил Мейер. «Мы думаем, что отток начался раньше, когда рентгеновское излучение усилилось перед радиовспышкой, и струя была скрыта от нашего взгляда горячим газом, пока не вспыхнула в начале прошлого года».

Статья, исследующая эту возможность, под руководством Лахи, находится на рассмотрении в The Astrophysical Journal и доступна на сервере препринтов arXiv. Мейер и Меган Мастерсон из Массачусетского технологического института в Кембридже являются соавторами.

Используя наблюдения XMM-Newton, Мастерсон обнаружил, что черная дыра демонстрировала чрезвычайно быстрые рентгеновские изменения между июлем 2022 года и мартом 2024 года. В течение этого периода рентгеновская яркость неоднократно увеличивалась и уменьшалась на 10% каждые несколько минут. Такие изменения, называемые квазипериодическими колебаниями миллигерцевого диапазона, трудно обнаружить вокруг сверхмассивных черных дыр, и на сегодняшний день они наблюдались лишь в нескольких системах.

«Один из способов создания этих колебаний — это вращение объекта внутри аккреционного диска черной дыры. В этом сценарии каждый подъем и спад рентгеновских лучей представляет собой один орбитальный цикл», — сказал Мастерсон.

Если бы флуктуации были вызваны орбитальной массой, то период бы сокращался по мере того, как объект приближался бы к горизонту событий черной дыры, точке невозврата. Орбитальные массы создают рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами. Эти волны высасывают орбитальную энергию, приближая объект к черной дыре, увеличивая его скорость и сокращая его орбитальный период.

За два года период флуктуации сократился с 18 минут до всего лишь 7 — первое в истории измерение такого рода вокруг сверхмассивной черной дыры. Если это был орбитальный объект, то теперь он двигался со скоростью, равной половине скорости света. Затем произошло нечто неожиданное — период флуктуации стабилизировался.

«Сначала мы были этим шокированы», — объяснил Мастерсон. «Но мы поняли, что по мере приближения объекта к черной дыре его сильное гравитационное притяжение может начать отрывать материю от компаньона. Эта потеря массы может компенсировать энергию, отнимаемую гравитационными волнами, останавливая движение компаньона внутрь».

Так что же это может быть за компаньон? Маленькая черная дыра нырнула бы прямо в нее, а обычная звезда была бы быстро разорвана приливными силами вблизи гигантской черной дыры. Но команда обнаружила, что белый карлик малой массы — звездный остаток размером примерно с Землю — может оставаться нетронутым вблизи горизонта событий черной дыры, сбрасывая при этом часть своей материи. Статья под руководством Мастерсона, обобщающая эти результаты, появится в журнале Nature.

Эта модель делает ключевое предсказание, отмечает Мастерсон. Если у черной дыры есть компаньон в виде белого карлика, гравитационные волны, которые она производит, будут обнаружены LISA (Laser Interferometer Space Antenna), миссией ESA в партнерстве с NASA, запуск которой ожидается в следующем десятилетии.