С помощью космических телескопов NuSTAR и XMM-Newton ученым удалось впервые увидеть, как рентгеновское излучение может отражаться и огибать сверхмассивную черную дыру — как эхо. Через ее гравитацию, искажающее пространство вокруг, эхо фотонов обошло черную дыру, попав в «объективы» телескопов. Это явление предусматривается общей теорией относительности.
Как можно увидеть свет за черной дырой?
Особенностью черных дыр, которая всем знакома, является ее неспособность отпустить от себя свет. Поэтому сразу подчеркиваем, что в этой работе ученые увидели не фотоны-беглецы, которые смогли вырваться из гравитационного воздействия черной дыры, а «эхо» рентгеновского излучения. Здесь телескопы поймали корону черной дыры, которая представляет собой рентгеновское излучение от высокоэнергетических частиц, когда значительное количество материи попадает в черную дыру. По мере того как вещество поглощается черной дырой, яркость этой короны снижается или растет более чем в сто раз. Но астрономы еще не видели, чтобы часть света, отраженная от газа, падала обратно в черную дыру во второй раз. Хотя свет не способен покинуть черную дыру, ее гравитация искажает пространство вокруг себя, что позволяет ему «отбиваться», огибая заднюю часть дыры.
Что увидели в телескоп?
Телескопы XMM-Newton от NASA и NuSTAR от ESA одновременно наблюдали за надмассивной черной дырой, в десять миллионов раз более массивней Солнца, которая расположена в центре спиральной галактики I Zwicky в 1800 млн световых лет от нас. В период с 11 января 2020 по 16 января 2020 они фиксировали жесткое излучение в рентгеновском диапазоне между тремя и 50 килоэлектронвольтами. Примерно через 15 килосекунд от начала наблюдений начались первые вспышки, длительностью по десять килосекунд каждый. Они были примерно в 2,5 раза мощнее среднего уровня излучения, а по мере их угасания, ученые видели серию коротких пиков в потоке фотонов с синим смещением, то есть с уменьшением наблюдаемой длины волны, а позже — фотонов с красным смещением. Это и есть повторное появление излучения с обратной стороны акреционного диска по мере того, как линия становится более яркой (через гравитационное линзирование).По словам исследователей, вероятность, что эти пики являются следствием шума при измерениях составляет менее 0,01 процента. Подобные пики были обнаружены во время обеих вспышек. Так они считают, что наблюдают аналог реверберации, то есть «послезвучия», линии флуоресценции железа от акреционного диска во время вспышек, что подтверждается численным моделированием.
Что это для нас значит?
Наблюдаемая учеными рентгеновская вспышка с I Zwicky была настолько яркой, что часть рентгеновских лучей обходила черную дыру, освещая среду за ней. Это первые прямые наблюдательные доказательства повторного появления излучения через черную дыру, искривленные в сторону точки зрения телескопов через сильные гравитационные искажения света. Эти наблюдения также совпадают с предсказаниями Эйнштейна в общей теории относительности — фотоны за ней вполне могут огибать черную дыру с задней стороны диска. Также фотоны из разных частей диска испытывают различные доплеровские оползни из-за изменения лучевой скорости поперек диска, а также испытывают гравитационное красное смещение, которое увеличивается ближе к черной дыре. Таким образом, их энергетические сдвиги содержат информацию о положении на акреционном диске и такие отголоски, имея разные «цвета», могут подсказать, что происходит вокруг черной дыры.