На изображении этого художника поток материи следует за белым карликом, вращающимся вокруг сверхмассивной черной дыры 1ES 1927 внутри самого внутреннего аккреционного диска. Фото предоставлено: Аврора Симонне/Государственный университет Сономы
Сверхмассивная черная дыра в последние годы держит астрономов в напряжении. Сначала произошло неожиданное исчезновение, а теперь появилось подозрительное появление.
Черная дыра — 1ES 1927+654, ее масса примерно равна миллиону солнц, и она находится в галактике на расстоянии 100 миллионов световых лет от нас.
В 2018 году астрономы Массачусетского технологического института и других организаций заметили, что корона черной дыры — облако вращающейся раскаленной добела плазмы — внезапно исчезла, а затем снова собралась несколько месяцев спустя. Кратковременный, но драматический сбой стал первым в астрономии черных дыр.
Члены команды Массачусетского технологического института теперь обнаружили, что та же самая черная дыра демонстрирует еще более беспрецедентное поведение.
Астрономы обнаружили рентгеновские вспышки, исходящие из черной дыры с постоянно возрастающей интенсивностью. За двухлетний период частота вспышек молний с миллигерцовыми колебаниями увеличилась с каждых 18 минут до каждых семи минут. Такое резкое ускорение рентгеновских лучей никогда раньше не наблюдалось в черной дыре.
Исследователи рассмотрели ряд сценариев, объясняющих, чем можно объяснить 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 — пределу, за которым ничто не может избежать гравитационного притяжения черной дыры.
Если это так, то белому карлику придется совершить впечатляющее балансирующее действие, поскольку он сможет достичь края черной дыры, фактически не упав в нее.
«Это будет самое близкое к черной дыре существо, которое у нас есть», — говорит Меган Мастерсон, аспирантка по физике Массачусетского технологического института, которая была одним из руководителей открытия. «Это говорит нам о том, что такие объекты, как белые карлики, могут жить очень близко к горизонту событий в течение относительно длительных периодов времени».
Исследователи представят свои результаты на 245-м собрании Американского астрономического общества в Нэшнл-Харборе, штат Мэриленд, и опубликуют результаты в статье в журнале Nature. Результаты также будут опубликованы на сервере препринтов arXiv.
Если белый карлик является причиной загадочной вспышки черной дыры, он также будет излучать гравитационные волны в диапазоне, который может быть обнаружен обсерваториями следующего поколения, такими как космическая антенна лазерного интерферометра НАСА (LISA).
«Эти новые детекторы предназначены для обнаружения мельчайших колебаний, поэтому система черных дыр как раз в этой точке», — говорит соавтор Эрин Кара, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.
В число дополнительных соавторов исследования входят члены Массачусетского технологического института Кавли Христос Панайоту, Джохин Чакраборти, Кевин Бердж, Риккардо Аркодия, Рональд Ремиллард и Цзинъи Ван, а также сотрудники из нескольких других учреждений.
Ничего нормального
Кара и Мастерсон были частью команды, которая наблюдала 1ES 1927+654 в 2018 году, когда корона черной дыры потемнела, а затем медленно восстановилась с течением времени. Какое-то время вновь образовавшаяся корона — облако высокоэнергетической плазмы и рентгеновских лучей — была самым ярким объектом, испускающим рентгеновские лучи на небе.
«Он по-прежнему был чрезвычайно ярким, хотя уже несколько лет не делал ничего нового и как бы булькал. Но мы чувствовали, что должны продолжать смотреть это, потому что это было так красиво», — говорит Кара. «Тогда мы заметили то, чего никогда раньше не случалось».
В 2022 году команда изучила наблюдения за черной дырой с помощью XMM-Newton Европейского космического агентства, космической обсерватории, которая обнаруживает и измеряет рентгеновское излучение от черных дыр, нейтронных звезд, скоплений галактик и других экстремальных космических источников. Они обнаружили, что рентгеновские лучи черной дыры начали пульсировать с возрастающей частотой.
Такие «квазипериодические колебания» наблюдались лишь в нескольких других сверхмассивных черных дырах, где рентгеновские всплески происходят с регулярной частотой.
В случае с 1ES 1927+654 мерцание, по-видимому, неуклонно увеличивалось в течение двухлетнего периода: с каждых 18 минут до каждых семи минут.
«Мы никогда не видели такой резкой изменчивости скорости мигания», — говорит Мастерсон. «Она совсем не была похожа на обычную черную дыру».
Тот факт, что вспышка была обнаружена в рентгеновском диапазоне, предполагает высокую вероятность того, что источник находится где-то очень близко к черной дыре. Самые внутренние области черной дыры представляют собой чрезвычайно энергетическую среду, где рентгеновские лучи производятся быстро движущейся горячей плазмой.
На больших расстояниях рентгеновские лучи можно будет увидеть с меньшей вероятностью, поскольку газ в аккреционном диске вращается медленнее. Более прохладная среда диска может излучать оптический и ультрафиолетовый свет, но редко излучает рентгеновские лучи.
«Если вы видите что-то в рентгеновских лучах, вы уже знаете, что находитесь довольно близко к черной дыре», — говорит Кара. «Когда вы видите колебания в минутной шкале, это близко к горизонту событий, и первое, что приходит на ум, — это круговое движение и вопрос о том, может ли что-то вращаться вокруг черной дыры».
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и ключевых результатах исследований.
рентгеновский удар
Что бы ни вызвало рентгеновские всплески, оно произошло на чрезвычайно близком расстоянии от черной дыры, которая, по оценкам исследователей, находится всего в нескольких миллионах миль от горизонта событий.
Мастерсон и Кара исследовали модели различных астрофизических явлений, которые могли бы объяснить наблюдавшиеся ими рентгеновские картины, включая возможность, связанную с короной черной дыры.
«Одна из идей заключается в том, что эта корона колеблется, возможно, раскачивается взад и вперед, и когда она начинает сжиматься, эти колебания становятся быстрее по мере уменьшения масштабов», — говорит Мастерсон. «Но мы все еще находимся на самых ранних стадиях понимания корональных колебаний».
Более вероятный сценарий, который ученые лучше понимают физически, предполагает появление смелого белого карлика.
«Эти объекты действительно маленькие и довольно компактные, и мы подозреваем, что это белый карлик, который подошел так близко к черной дыре», — говорит Мастерсон.
Основываясь на своем моделировании, исследователи подсчитали, что белый карлик мог иметь около десятой массы Солнца. Напротив, сама сверхмассивная черная дыра имеет массу порядка 1 миллиона солнечных масс.
Когда объект приближается так близко к сверхмассивной черной дыре, ожидается, что будут излучаться гравитационные волны, притягивающие объект ближе к черной дыре. Чем ближе он вращается, тем быстрее движется белый карлик, что может объяснить увеличение частоты рентгеновских колебаний, наблюдаемых командой.
Белый карлик практически находится на грани невозврата и, по оценкам, находится всего в нескольких миллионах миль от горизонта событий. Однако исследователи предполагают, что звезда не рухнет.
Хотя гравитация черной дыры может притянуть белого карлика внутрь, звезда также сбрасывает часть своего внешнего слоя в черную дыру. Это разделение действует как небольшая отдача, позволяя белому карлику – который сам по себе является невероятно компактным объектом – сопротивляться пересечению границы черной дыры.
«Поскольку белые карлики маленькие и компактные, их очень трудно разорвать на части, поэтому они могут подобраться очень близко к черной дыре», — говорит Кара. «Если этот сценарий верен, этот белый карлик находится прямо на переломном моменте, и мы могли бы увидеть, как он удаляется».
Команда планирует продолжить наблюдение за системой с помощью существующих и будущих телескопов, чтобы лучше понять экстремальную физику, работающую в ядре черной дыры. Они особенно с нетерпением ждут возможности изучить систему после запуска космического детектора гравитационных волн LISA, который в настоящее время запланирован на середину 2030-х годов, поскольку гравитационные волны, излучаемые системой, будут находиться в оптимальном месте, которое LISA сможет четко обнаружить.
«Единственное, чему я научился благодаря этому источнику, — это никогда не переставать его смотреть, потому что он, вероятно, научит нас чему-то новому», — говорит Мастерсон. «Следующий шаг — держать глаза открытыми».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
