В центре далекой галактики у сверхмассивной черной дыры, похоже, случился сбой.
Астрономы из Массачусетского технологического института, Италии, Чехии и других стран обнаружили, что ранее тихая черная дыра, которая находится в центре галактики на расстоянии около 800 миллионов световых лет от нас, внезапно взорвалась, выделяя шлейфы газа каждые 8,5 дней, прежде чем успокоиться. вернуться в нормальное, спокойное состояние.
Периодические сбои — это новое поведение, которое до сих пор не наблюдалось в черных дырах. Ученые полагают, что наиболее вероятное объяснение вспышек связано со второй, меньшей черной дырой, которая вращается вокруг центральной сверхмассивной черной дыры и выбрасывает материал из газового диска большей черной дыры каждые 8,5 дней.
Выводы команды, опубликованные сегодня в журнале Достижения науки, бросают вызов общепринятому представлению об аккреционных дисках черных дыр, которые, как предполагали ученые, представляют собой относительно однородные газовые диски, вращающиеся вокруг центральной черной дыры. Новые результаты предполагают, что аккреционные диски могут быть более разнообразными по своему содержанию и, возможно, содержать другие черные дыры и даже целые звезды.
Фото: Петра Сукова, Астрономический институт КАН.
«Мы думали, что знаем много о черных дырах, но это говорит нам о том, что они могут сделать гораздо больше», — говорит автор исследования Дирадж «Ди-Джей» Пашам, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Мы думаем, что таких систем будет еще много, и нам просто нужно собрать больше данных, чтобы их найти».
В число соавторов исследования входят постдок Питер Косек, аспирантка Меган Мастерсон, доцент Эрин Кара, главный научный сотрудник Рональд Ремиллард и бывший научный сотрудник Майкл Фаусно, а также сотрудники из нескольких учреждений, в том числе из Римского университета Тор Вергата, Астрономический институт Чешской академии наук и Масариков университет в Чехии.
«Используй или потеряй»
Выводы команды стали результатом автоматического обнаружения с помощью ASAS-SN (автоматического исследования сверхновых по всему небу), сети из 20 роботизированных телескопов, расположенных в различных местах Северного и Южного полушарий. Телескопы автоматически обследуют все небо один раз в день на предмет признаков сверхновых и других переходных явлений.
В декабре 2020 года исследование обнаружило вспышку света в галактике на расстоянии около 800 миллионов световых лет от нас. Эта конкретная часть неба была относительно тихой и темной до тех пор, пока ее не обнаружили телескопы, когда галактика внезапно стала ярче в 1000 раз. Пашам, который случайно увидел сообщение об обнаружении в оповещении сообщества, решил сосредоточиться на вспышке с помощью НАСА NICER (Исследователь внутреннего состава нейтронной звезды), рентгеновского телескопа на борту Международной космической станции, который постоянно наблюдает за небом в поисках X. -Всплески, которые могут сигнализировать об активности нейтронных звезд, черных дыр и других экстремальных гравитационных явлений. Время было выбрано удачно, поскольку приближался конец годичного периода, в течение которого Пашаму было разрешено наводить или «запускать» телескоп.
«Либо используй это, либо потеряй, и это оказалось моей самой счастливой случайностью», – говорит он.
Он обучил NICER наблюдать за далекой галактикой, пока она продолжает вспыхивать. Вспышка продолжалась около четырех месяцев, прежде чем утихла. В течение этого времени NICER ежедневно и с высокой частотой проводил измерения рентгеновского излучения галактики. Когда Пашам внимательно изучил данные, он заметил любопытную закономерность в четырехмесячной вспышке: тонкие провалы в очень узком диапазоне рентгеновских лучей, которые, казалось, появлялись каждые 8,5 дней.
Казалось, что всплеск энергии в галактике периодически спадал каждые 8,5 дней. Сигнал похож на то, что видят астрономы, когда вращающаяся планета проходит перед своей звездой, ненадолго блокируя свет звезды. Но ни одна звезда не сможет заблокировать вспышку всей галактики.
«Я ломал голову над тем, что это значит, потому что эта закономерность не соответствует ничему, что мы знаем об этих системах», — вспоминает Пашам.
Ударь это
В поисках объяснения периодическим провалам Пашам наткнулся на недавнюю работу физиков-теоретиков из Чехии. Теоретики отдельно выяснили, что теоретически в центральной сверхмассивной черной дыре галактики может быть вторая, гораздо меньшая по размеру черная дыра. Эта меньшая черная дыра может вращаться под углом к аккреционному диску своего более крупного компаньона.
Как предположили теоретики, вторичная черная дыра будет периодически пробивать диск первичной черной дыры во время ее вращения. При этом он выпустит шлейф газа, как пчела, летящая сквозь облако пыльцы. Мощные магнитные поля к северу и югу от черной дыры могли затем выбросить шлейф вверх и за пределы диска. Каждый раз, когда черная дыра меньшего размера пробивает диск, она выбрасывает еще один шлейф в регулярном, периодическом порядке. Если бы этот шлейф оказался направлен в сторону наблюдательного телескопа, он мог бы наблюдать за ним как провал в общей энергии галактики, время от времени ненадолго блокирующий свет диска.
«Меня очень воодушевила эта теория, и я сразу же написал им по электронной почте: «Я думаю, мы наблюдаем именно то, что предсказала ваша теория», — говорит Пашам.
Он и чешские ученые объединились, чтобы проверить эту идею с помощью моделирования, включающего наблюдения NICER за первоначальным всплеском и регулярными 8,5-дневными провалами. То, что они обнаружили, подтверждает теорию: наблюдаемая вспышка, вероятно, была сигналом второй, меньшей черной дыры, вращающейся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры и периодически прокалывающей ее диск.
В частности, команда обнаружила, что до обнаружения в декабре 2020 года в галактике было относительно тихо. По оценкам команды, центральная сверхмассивная черная дыра галактики имеет массу 50 миллионов солнц. До вспышки вокруг черной дыры мог вращаться слабый диффузный аккреционный диск, а вторая, меньшая по размеру черная дыра, массой от 100 до 10 000 солнечных масс, вращалась по орбите в относительной безвестности.
Исследователи подозревают, что в декабре 2020 года третий объект — вероятно, ближайшая звезда — подошел слишком близко к системе и был разорван на куски огромной гравитацией сверхмассивной черной дыры — событие, которое астрономы называют «приливным разрушением». Внезапный приток звездного материала на мгновение осветил аккреционный диск черной дыры, когда обломки звезды закружились в черной дыре. В течение четырех месяцев черная дыра пировала звездными обломками, в то время как вторая черная дыра продолжала вращаться по орбите. Пробив диск, он выбросил шлейф гораздо большего размера, чем обычно, который вылетел прямо в сторону телескопа NICER.
Команда провела многочисленные симуляции для проверки периодических провалов. Наиболее вероятным объяснением, заключают они, является новый вид системы Давида и Голиафа — крошечная черная дыра промежуточной массы, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры.
«Это другой зверь», — говорит Пашам. «Это не соответствует ничему, что мы знаем об этих системах. Мы видим свидетельства того, что объекты входят в диск и проходят сквозь него под разными углами, что бросает вызов традиционной картине простого газового диска вокруг черных дыр. Мы думаем, что существует огромное количество таких систем».
«Это блестящий пример того, как использовать обломки разрушенной звезды для освещения внутренней части ядра галактики, которая в противном случае осталась бы темной. Это похоже на использование флуоресцентного красителя для поиска утечки в трубе», — говорит Ричард Сакстон, рентгеновский астроном из Европейского центра космической астрономии (ESAC) в Мадриде, который не участвовал в исследовании. «Этот результат показывает, что очень близкие сверхмассивные двойные черные дыры могут быть обычным явлением в ядрах галактик, что является очень интересным достижением для будущих детекторов гравитационных волн».
Это исследование было частично поддержано НАСА.