Недавние наблюдения бросают вызов нашему пониманию гигантских черных дыр

Черные дыры являются одними из самых загадочных и могущественных объектов во Вселенной. Эти гиганты образуются, когда достаточно массивные звезды достигают конца своего жизненного цикла и испытывают гравитационный коллапс, сбрасывая свои внешние слои в виде сверхновой. Их существование было проиллюстрировано работами немецкого астронома Карла Шварцшильда и индийско-американского физика Субраманьяна Чандрасекара как следствие общей теории относительности Эйнштейна. В 1970-х годах астрономы подтвердили, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центрах массивных галактик и играют решающую роль в их эволюции.

Однако только в последние годы первые изображения черных дыр были получены телескопом Event Horizon (EHT). Эти и другие наблюдения выявили вещи о черных дырах, которые бросили вызов предвзятым представлениям. В недавнем исследовании, проведенном командой Массачусетского технологического института, астрономы наблюдали колебания, которые позволяют предположить, что СМЧД в соседней галактике поглощает белого карлика. Но вместо того, чтобы разорвать ее на части, как предсказывают астрономические модели, их наблюдения показывают, что белый карлик замедлился при спуске в черную дыру – чего астрономы никогда раньше не видели!

Исследование возглавила Меган Мастерсон, аспирантка Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института Кавли. К ней присоединились исследователи из Астрономического ядра инженерного факультета, Института астрономии и астрофизики Кавли (KIAA-PU), Центра космической науки и технологий (CSST) и Объединенного института космических наук университета. округа Мэриленд-Балтимор (UMBC), Центра астробиологии (CAB), Центра астрономии и астрофизики Кэхилла, Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Центр космических полетов имени Годдарда НАСА и несколько университетов.

Согласно представлениям астрономов о черных дырах, эти гравитационные гиганты окружены поступающей материей (газом, пылью и даже светом), которая образует закрученные яркие диски. Этот материал и энергия ускоряются почти до скорости света, выделяя тепло и излучение (в основном в ультрафиолетовом диапазоне), медленно накапливаясь на «лице» черной дыры. Эти УФ-лучи взаимодействуют с облаком электрически заряженной плазмы (короной), окружающей черную дыру, усиливая излучение до длины волны рентгеновского излучения.

С 2011 года зонд НАСА XMM-Newton наблюдал 1ES 1927+654, галактику в созвездии Дракона, находящуюся на расстоянии 236 миллионов световых лет от Земли, с черной дырой массой 1,4 миллиона солнечных масс в центре. В 2018 году рентгеновская корона загадочным образом исчезла, после чего последовал радиовсплеск и всплеск ее рентгеновского излучения — так называемые квазипериодические колебания (КПО). Доцент UMBC Эйлин Мейер, соавтор этого последнего исследования, также недавно опубликовала статью, описывающую эти радиовсплески.

«В 2018 году черная дыра начала менять свои свойства прямо на наших глазах, вызвав мощный оптический, ультрафиолетовый и рентгеновский всплеск», — сказала она в пресс-релизе НАСА. «С тех пор многие команды внимательно следили за этим». Мейер представила результаты своей команды на 245-м собрании Американского астрономического общества (ААС), которое состоялось 12-16 января 2025 года в Нэшнл-Харборе, штат Мэриленд. В 2021 году корона снова появилась, и черная дыра, похоже, вернулась в нормальное состояние примерно на год.

Однако с февраля по май 2024 года радиоданные показали, что это струи ионизированного газа, простирающиеся примерно на полсветового года по обе стороны от СМЧД. «Запуск струи черной дыры никогда раньше не наблюдался в реальном времени», — отметил Мейер. «Мы думаем, что истечение началось раньше, поскольку рентгеновское излучение перед радиовспышкой увеличилось, и струя была скрыта от нашего взгляда горячим газом до ее вспышки в начале прошлого года». Мейером и Мастерсоном также был представлен на 245-й конференции AAS.

Кроме того, наблюдения, собранные в апреле 2023 года, показали месячное увеличение количества низкоэнергетических рентгеновских лучей, что позволяет предположить, что происходит мощный и неожиданный радиовсплеск. В ответ на это были проведены интенсивные наблюдения с помощью массива со сверхдлинной базой (VLBA) и других объектов, включая XMM-Newton. Благодаря наблюдениям XMM-Newton Мастерсон обнаружил, что в период с июля 2022 года по март 2024 года черная дыра демонстрировала чрезвычайно быстрые рентгеновские колебания, составляющие 10%. Эти колебания обычно очень трудно обнаружить вблизи СМЧД, что позволяет предположить, что массивный объект быстро вращается вокруг СМЧД и медленно поглощается.

«Один из способов создать эти колебания — заставить объект вращаться по орбите внутри аккреционного диска черной дыры. В этом сценарии каждый рост и падение рентгеновских лучей представляет собой орбитальный цикл», — сказал Мастерсон. Дополнительные расчеты также показали, что объект, вероятно, является белым карликом с массой около 0,1 Солнца, вращающимся по орбите со скоростью около 333 миллионов км/ч (207 миллионов миль в час). Обычно астрономы ожидают, что орбитальный период сократится и возникнут гравитационные волны (ГВ), истощающие орбитальную энергию объекта и приближающие его к внешней границе черной дыры (горизонту событий).

Однако те же наблюдения, проведенные в период с 2022 по 2024 год, показали, что продолжительность колебаний уменьшилась с 18 минут до 7 минут, а скорость увеличилась до половины скорости света (540 миллионов км/ч; 360 миллионов миль в час). Затем произошло нечто действительно странное и неожиданное: вибрации стабилизировались. Как объяснил Мастерсон:

«Поначалу это нас шокировало. Но мы поняли, что по мере приближения объекта к черной дыре его мощное гравитационное притяжение могло начать оттягивать материю от спутника. Эта потеря массы могла бы компенсировать энергию, извлекаемую гравитационными волнами, и остановить движение спутника внутрь».

Эта теория согласуется с тем, что астрономы наблюдали, когда двойные звездные системы белых карликов вращались по спирали друг к другу и суждено было слиться. Чем ближе они подходили друг к другу, тем больше один начинал отрывать материю от другого, вместо того чтобы оставаться целым, замедляя сближение двух объектов. Хотя в данном случае это может быть так, не существует устоявшейся теории, объясняющей наблюдения Мастерсона, Мейера и их коллег. Однако их модель делает важный прогноз, который можно будет проверить, когда в 2030-х годах будет запущена космическая антенна лазерного интерферометра ЕКА (LISA).

«Мы предсказываем, что если на орбите этой сверхмассивной черной дыры находится белый карлик, LISA должна его увидеть», — говорит Меган. Препринт работы Мастерсон и ее команды недавно появился в Интернете и будет опубликован в журнале Природа 15 февраля 2025 г.

Дальнейшее чтение: ЕКА, НАСА, arXiv, АДЖЛ