Телескопы НАСА определили рацион черной дыры

Используя новые данные рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» и обсерватории Свифт Нила Гереля, а также XMM-Newton ЕКА, группа исследователей добилась важного прогресса в понимании того, как и когда сверхмассивная черная дыра поглощает, а затем поглощает материю.

Статья, описывающая эти результаты, появится на сервере препринтов arXiv и будет опубликована в Astrophysical Journal. Авторами являются Дирадж Пассам (Массачусетский технологический институт), Эрик Кафлин (Сиракузский университет), Мюриэль Гуоло (Университет Джона Хопкинса), Томас Виверс (Научный институт космического телескопа), Крис Никсон (Университет Лидса, Великобритания), Джейсон Хинкль (Университет Гавайских островов в Маноа) и Анайя Бандопадьяй (Сиракузы).

На изображении художника выше изображена звезда, частично разрушенная такой черной дырой в системе AT2018fyk. Сверхмассивная черная дыра AT2018fyk — примерно в 50 миллионов раз массивнее Солнца — находится в центре галактики на расстоянии около 860 миллионов световых лет от Земли.

Астрономы обнаружили, что звезда AT2018fyk находится на сильно эллиптической орбите вокруг черной дыры, поэтому ее точка наибольшего сближения с черной дырой намного больше, чем точка наибольшего сближения с ней. Во время самого близкого сближения приливные силы черной дыры оттягивают часть материала от звезды, создавая два приливных хвоста из «звездных обломков».

На рисунке показана точка на орбите вскоре после частичного разрушения звезды, когда приливные хвосты все еще находятся в непосредственной близости от звезды. Позже на орбите звезды разрушенный материал возвращается в черную дыру и теряет энергию, что приводит к значительному увеличению яркости рентгеновских лучей, которое происходит позже на орбите (здесь не показано).

Этот процесс повторяется каждый раз, когда звезда возвращается в точку наибольшего сближения, примерно каждые 3,5 года. На изображении изображена звезда во время ее второго оборота и диск рентгеновского газа вокруг черной дыры, образовавшийся как побочный продукт первого приливного столкновения.

Исследователи узнали о AT2018fyk в 2018 году, когда оптическое наземное исследование ASAS-SN показало, что система стала намного ярче. После наблюдений с помощью NICER и Чандры НАСА, а также XMM-Newton, исследователи определили, что увеличение яркости произошло из-за «события приливного разрушения» (TDE), которое указывает на то, что звезда была полностью разорвана на части и частично поглощена после закрытия. пролетел недалеко от черной дыры. Данные «Чандры» от AT2018fyk показаны на вставке оптического изображения большего поля зрения.

Когда материал разрушенной звезды приблизился к черной дыре, он стал горячее и произвел рентгеновское и ультрафиолетовое (УФ) излучение. Затем эти сигналы исчезли, что согласуется с теорией о том, что от звезды не осталось ничего, что можно было бы обработать черной дыре.

Однако примерно два года спустя рентгеновское и ультрафиолетовое излучение галактики снова стало значительно ярче. По мнению астрономов, это означало, что звезда, вероятно, пережила первоначальный гравитационный захват черной дыры, а затем вышла на высокоэллиптическую орбиту с черной дырой. Во время второго подхода к черной дыре было оторвано больше материала, что привело к увеличению рентгеновского и ультрафиолетового света.

Эти результаты были опубликованы в статье 2023 года в журнале Astrophysical Journal Letters под руководством Томаса Веверса из Научного института космического телескопа в Балтиморе.

«Сначала мы думали, что это очень распространенный случай, когда черная дыра полностью разрывает звезду», — сказал Уиверс. «Но вместо этого звезда, кажется, живет и умирает в другой день».

Основываясь на своем понимании звезды и ее орбиты, Веверс и его команда предсказали, что вторая трапеза черной дыры закончится в августе 2023 года, и запросили у Чандры время для наблюдения, чтобы проверить это.

«Явным признаком того, что эта звездная закуска подходит к концу, будет внезапное падение рентгеновских лучей, и это именно то, что мы видим в наших наблюдениях Чандры 14 августа 2023 года», — сказал Дирадж Пашам из Массачусетского технологического института. , руководитель нового Трактата об этих результатах. «Наши данные показывают, что черная дыра, по сути, вытерла рот и оттолкнулась от стола в августе прошлого года».

Новые данные, полученные Чандрой и Свифтом после завершения исследования 2023 года, позволяют исследователям еще лучше оценить время, необходимое звезде для завершения полного оборота, а также будущее питание черной дыры. Они приходят к выводу, что звезда приближается к черной дыре примерно каждые три с половиной года.

«Мы думаем, что третья трапеза черной дыры, если от звезды еще что-нибудь останется, начнется в период с мая по август 2025 года и продлится почти два года», — сказал Эрик Кофлин из Сиракузского университета в Нью-Йорке, соавтор нового исследования. «Скорее всего, это будет скорее перекус, чем полноценный обед, поскольку второй прием пищи был меньше первого, и звезда продолжает разрушаться».

Авторы полагают, что изначально у обреченной звезды была другая звезда в качестве компаньона, когда она приближалась к черной дыре. Однако когда пара звезд подошла слишком близко к черной дыре, гравитация черной дыры разлучила две звезды. Один вышел на орбиту черной дыры, а другой был выброшен в космос на высокой скорости.

«Обреченная звезда была вынуждена резко изменить своих звезд-компаньонов — из другой звезды в гигантскую черную дыру», — сказал соавтор Мюриэль Гуоло из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. «Его звездный партнер сбежал, а он — нет».

Команда планирует продолжать наблюдение за AT2018fyk как можно дольше, чтобы изучить поведение такой экзотической системы.