Никогда нельзя точно сказать, когда центральная сверхмассивная чёрная дыра включится и начнёт поглощать материю. Вопреки распространённому мнению, что эти монстры постоянно пожирают близлежащие звёзды и газовые облака, оказывается, что часть своего существования они проводят в состоянии покоя и бездействия. Новые наблюдения, проведённые космическим аппаратом XMM-Newton Европейского космического агентства, позволили увидеть «момент включения» одного из этих монстров в далёкой галактике.
Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики SDSS1335+0728 безмятежно спала на протяжении десятилетий. Затем, в 2019 году, она внезапно вспыхнула, и астрономы зафиксировали вспышки как в оптическом, так и в рентгеновском диапазоне. Галактика, расположенная примерно в 300 миллионах световых лет от нас, получила сигнал «пробуждения» от своей центральной чёрной дыры. Астрономы назвали это недавно активировавшееся галактическое ядро «Ански».
«Когда мы впервые увидели, что Ански светится на оптических снимках, мы запустили последующие наблюдения с помощью космического рентгеновского телескопа НАСА Swift и проверили архивные данные рентгеновского телескопа eROSITA, но в то время мы не видели никаких признаков рентгеновского излучения», — сказала исследовательница из Европейской южной обсерватории Паула Санчес Саес. Она и её команда первыми изучили активность чёрной дыры. Другая команда под руководством Лорены Эрнандес-Гарсии, исследовательницы из Университета Вальпараисо в Чили, продолжила работу в 2024 году, обнаружив рентгеновские всплески в том же регионе. «Это редкое событие даёт астрономам возможность наблюдать за поведением чёрной дыры в реальном времени с помощью рентгеновских космических телескопов XMM-Newton и NICER, «Чандра» и «Свифт» НАСА. Это явление известно как квазипериодическое извержение, или QPE. QPE — это кратковременные вспышки. И мы впервые наблюдаем такое событие в чёрной дыре, которая, кажется, просыпается, — объяснила Лорена.
Возможная последовательность событий в Ански
Что произошло, чтобы Ански засветился в QPE? Подумайте о том, что происходит, когда чёрная дыра поглощает вещество. Мы знаем, что сильное гравитационное притяжение чёрной дыры притягивает вещество, обычно через вращающийся аккреционный диск. Например, это может быть звезда, которая подлетает слишком близко. Сильное гравитационное воздействие чёрной дыры разрывает звезду на части, разбрасывая её вещество по всему диску. Это называется «событиями приливного разрушения» (TDE).
Звучит здорово, пока не осознаешь, что Ански, похоже, не разрушил звезду. Наблюдательных подтверждений этому нет. Однако он периодически проявляет активность, что говорит о том, что происходит более одного события. Возможно, QPE может быть вызван звездой или каким-то другим объектом, взаимодействующим с аккреционным диском, но не попадающим в него и создающим TDE другого типа.
Исследователи вернулись к чертежной доске, чтобы рассмотреть другие возможности. Возможно, аккреционный диск образовался не из-за звезды, а в результате того, что газ был затянут в гравитационную воронку чёрной дыры. Рентгеновские вспышки, которые астрономы наблюдали в Ански, позволяют предположить, что диск может испытывать энергетические удары, вызванные присутствием чего-то, что проходит через него, но не разрушается. Что-то, стремительно проходящее через аккреционный диск, вызвало бы множество событий — примерно так же, как лодка рассекает воду. Эти события вызвали бы рентгеновские вспышки. «Всплески рентгеновского излучения от Ански в десять раз продолжительнее и в десять раз ярче, чем то, что мы видим при типичном QPE», — говорит Джохин Чакраборти, член команды и аспирант Массачусетского технологического института.
Чтобы получить рентгеновские снимки, нужны высокоэнергетические события на диске. «Каждое из этих извержений высвобождает в сто раз больше энергии, чем мы видели где-либо ещё. Извержения Ански также демонстрируют самую продолжительную из когда-либо наблюдавшихся периодичность — около 4,5 дней. Это доводит наши модели до предела и ставит под сомнение существующие представления о том, как возникают эти рентгеновские вспышки».
Некоторые предостережения
В статье, опубликованной в журнале Nature (см. ниже), команда исследователей предлагает продолжить наблюдения за этим и другими подобными событиями у сверхмассивных чёрных дыр. Это связано с тем, что повторяющиеся вспышки рентгеновского излучения в Ански, которые происходят примерно каждые 25 дней, до конца не изучены. Они могут происходить из-за того, что внутренний участок аккреционного диска имеет эксцентриситет, и всё это прецессирует. Если это так, то посторонний объект проходит через две разные поверхности диска.
Лучший способ определить это - отслеживать будущие QPE. Это делает Ansky идеальным испытуемым в режиме реального времени для различных моделей QPE и помогает астрономам создавать более совершенные модели событий такого типа. Кроме того, они могут послужить материалом для будущих исследований гравитационных волн.
«Что касается QPE, то мы всё ещё находимся на том этапе, когда у нас больше моделей, чем данных, и нам нужно больше наблюдений, чтобы понять, что происходит», — говорит научный сотрудник ESA и астроном-рентгенолог Эрван Квинтин.
«Мы думали, что QPE — это результат того, что небольшие небесные объекты захватываются гораздо более крупными и по спирали приближаются к ним. Однако извержения Ански, похоже, говорят нам о другом. Эти повторяющиеся всплески, вероятно, также связаны с гравитационными волнами, которые может зафиксировать будущая миссия ESA LISA [детектор гравитационных волн]. Крайне важно проводить эти рентгеновские наблюдения, которые дополнят данные о гравитационных волнах и помогут нам разобраться в загадочном поведении массивных чёрных дыр».
Космическая интерферометрическая решётка LISA Европейского космического агентства станет первой космической лабораторией для обнаружения гравитационных волн, особенно от активных ядер галактик, таких как Ански. Предоставлено Европейским космическим агентством.