MIT: Мертвая звезда на краю черной дыры ускоряет рентгеновские вспышки

Одна сверхмассивная черная дыра не отпускает астрономов от своих прицелов на протяжении последних нескольких лет. Сначала было неожиданное исчезновение, а теперь — неуверенное вращение. 

Речь идет о черной дыре 1ES 1927+654, которая по своей массе равна миллиону Солнц и находится в галактике, удаленной от нас на 100 миллионов световых лет. В 2018 году астрономы из Массачусетского технологического института и других университетов заметили, что корона черной дыры — облако вихрящейся раскаленной плазмы — внезапно исчезла, а спустя несколько месяцев собралась вновь. Это кратковременное, но драматическое отключение было первым в астрономии черных дыр.

Теперь члены команды Массачусетского технологического института застали ту же самую черную дыру за еще более беспрецедентным поведением.

Астрономы зафиксировали вспышки рентгеновского излучения, исходящие из черной дыры с постоянно растущей частотой. В течение двух лет частота вспышек с миллигерцовыми колебаниями увеличилась с 18 до семи минут. Такого резкого ускорения рентгеновского излучения до сих пор не наблюдалось ни от одной черной дыры.

Исследователи рассмотрели несколько сценариев, которые могли бы объяснить вспышки. По их мнению, наиболее вероятным виновником является вращающийся белый карлик — чрезвычайно компактное ядро мертвой звезды, которое вращается вокруг черной дыры и неуверенно приближается к ее горизонту событий, границе, за которой ничто не может избежать гравитационного притяжения черной дыры. Если это так, то белый карлик должен выполнять впечатляющие балансировочные действия, поскольку он может приближаться к краю черной дыры, не проваливаясь внутрь.

Это самый близкий объект, который мы знаем в окрестностях любой черной дыры, — говорит Меган Мастерсон, аспирантка физического факультета Массачусетского технологического института, которая была одним из руководителей открытия.

Это говорит нам о том, что такие объекты, как белые карлики, могут жить очень близко к горизонту событий в течение относительно длительного периода времени.

Исследователи представили свои выводы сегодня на 245-м заседании Американского астрономического общества в Национальном Харборе, штат Мэриленд.

Если в основе загадочного мигания черной дыры лежит белый карлик, то он также может испускать гравитационные волны в диапазоне, который может быть обнаружен обсерваториями нового поколения, такими как лазерная интерферометрическая космическая антенна НАСА (LISA).

Эти новые детекторы предназначены для обнаружения колебаний в масштабе минут, так что эта система черных дыр находится в этом диапазоне, — говорит соавтор работы Эрин Кара, доцент физики Массачусетского технологического института.

Среди других соавторов исследования — сотрудники отдела Кавли Массачусетского технологического института Кристос Панагиоту, Джохин Чакраборти, Кевин Бердж, Риккардо Аркодиа, Рональд Ремиллард и Цзиньи Ванг, а также сотрудники многих других институтов.

Ничего обычного

Кара и Мастерсон были частью команды, наблюдавшей за 1ES 1927+654 в 2018 году, когда корона черной дыры потемнела, а затем медленно перестроилась с течением времени. Некоторое время новая реформированная корона — облако высокоэнергетической плазмы и рентгеновских лучей — была самым ярким рентгеновским объектом в небе.

Она по-прежнему была очень яркой, хотя в течение нескольких лет не делала ничего нового и как бы булькала. Но мы чувствовали, что должны продолжать наблюдать за ним, потому что он был таким красивым, — говорит Кара.

И тут мы заметили то, чего раньше никогда не видели.

В 2022 году команда изучила наблюдения за черной дырой, сделанные космическим аппаратом XMM-Newton Европейского космического агентства, который обнаруживает и измеряет рентгеновское излучение от черных дыр, нейтронных звезд, галактических скоплений и других экстремальных космических источников. Они заметили, что рентгеновские лучи от черной дыры пульсируют с возрастающей частотой. Такие «квазипериодические колебания» наблюдались лишь у нескольких других сверхмассивных черных дыр, где рентгеновские вспышки происходят с регулярной частотой.

В случае с 1ES 1927+654 мерцание, казалось, неуклонно нарастало — с каждых 18 минут до каждых семи минут в течение двух лет.

Мы никогда не видели такой резкой изменчивости в частоте мигания, — говорит Мастерсон.

Это совершенно не похоже на обычную черную дыру.

Тот факт, что вспышки были обнаружены в рентгеновском диапазоне, указывает на большую вероятность того, что источник находится где-то очень близко к черной дыре. Внутренние области черной дыры — это чрезвычайно высокоэнергетическая среда, где рентгеновские лучи порождаются быстро движущейся горячей плазмой. На более далеких расстояниях рентгеновское излучение менее вероятно, так как в аккреционном диске газ движется медленнее. Более холодная среда диска может излучать оптический и ультрафиолетовый свет, но редко дает рентгеновские лучи.

Увидеть что-то в рентгеновских лучах — это уже говорит о том, что вы находитесь довольно близко к черной дыре, — говорит Кара.

Когда вы видите изменчивость в масштабах нескольких минут, это уже близко к горизонту событий, и первое, что приходит в голову, — это круговое движение, и может ли что-то вращаться вокруг черной дыры.

Рентгеновский удар

Что бы ни производило рентгеновские вспышки, оно делало это на чрезвычайно близком расстоянии от черной дыры, которое, по оценкам исследователей, находится в пределах нескольких миллионов миль от горизонта событий.

Мастерсон и Кара изучили модели различных астрофизических явлений, которые могли бы объяснить наблюдаемые рентгеновские картины, включая возможность, связанную с короной черной дыры.

Одна из идей состоит в том, что эта корона колеблется, может быть, сгущается туда-сюда, и если она начинает сжиматься, то эти колебания становятся быстрее по мере уменьшения масштабов, — говорит Мастерсон.

Но мы находимся на очень ранних стадиях понимания корональных колебаний.

Более вероятный сценарий, который ученые лучше понимают с точки зрения физики, связан со смелым белым карликом.

Эти штуки очень маленькие и довольно компактные, и мы предполагаем, что это белый карлик, который так близко подобрался к черной дыре, — говорит Мастерсон.

Согласно их моделированию, белый карлик мог иметь массу около одной десятой массы Солнца. В отличие от этого, масса самой сверхмассивной черной дыры составляет порядка 1 миллиона солнечных масс.

Когда какой-либо объект приближается к сверхмассивной черной дыре так близко, ожидается, что будут испускаться гравитационные волны, которые притянут объект ближе к черной дыре. По мере приближения белый карлик движется все быстрее, что может объяснить увеличение частоты рентгеновских колебаний, которые наблюдала команда.

Белый карлик находится практически на грани невозврата и, по оценкам, всего в нескольких миллионах миль от горизонта событий. Однако исследователи предсказывают, что звезда не упадет. В то время как гравитация черной дыры может втягивать белый карлик внутрь, звезда также сбрасывает часть своего внешнего слоя в черную дыру. Этот сброс действует как небольшая отдача, благодаря которой белый карлик — сам по себе невероятно компактный объект — может сопротивляться пересечению границы черной дыры.

Поскольку белые карлики маленькие и компактные, их очень трудно раздробить на части, поэтому они могут находиться очень близко к черной дыре, — говорит Кара.

Если этот сценарий верен, то белый карлик находится прямо в точке разворота, и мы можем увидеть, как он отдаляется.

Команда планирует продолжить наблюдение за системой с помощью существующих и будущих телескопов, чтобы лучше понять экстремальную физику, действующую во внутренних средах черных дыр. Особенно они хотят изучить систему после запуска космического детектора гравитационных волн LISA, который в настоящее время запланирован на середину 2030-х годов, поскольку гравитационные волны, которые должна испускать система, будут находиться в той точке, которую LISA сможет четко зафиксировать.

Единственное, чему я научился, работая с этим источником, — никогда не прекращать наблюдать за ним, потому что он, возможно, научит нас чему-то новому, — говорит Мастерсон.

Следующий шаг — просто держать глаза открытыми.

Ранее ученые выяснили, насколько огромными могут быть сверхмассивные черные дыры.

13.01.2025