В инфракрасном диапазоне нашли 18 черных дыр, высасывающих жизнь из звезд

Черные дыры, разрушающие звезды, есть повсюду во вселенной, если только знать, как их искать. Таков вывод нового исследования ученых Массачусетского технологического института, опубликованного сегодня в Astrophysical Journal.

Авторы исследования сообщают об обнаружении 18 новых событий приливного разрушения (TDE) — экстремальных случаев, когда близлежащая звезда притягивается к черной дыре и разрывается на куски. В процессе трапезы черная дыра излучает огромный всплеск энергии во всем электромагнитном спектре.

Астрономы обнаруживали предыдущие события приливного разрушения, ища характерные всплески в оптическом и рентгеновском диапазонах. На сегодняшний день эти поиски выявили около десятка событий, разрушающих звезды в ближайшей Вселенной. Новые TDE, обнаруженные командой Массачусетского технологического института, более чем вдвое увеличивают каталог известных TDE во Вселенной.

Исследователи обнаружили эти ранее «скрытые» события, заглянув в нетрадиционный диапазон: инфракрасный. Помимо оптических и рентгеновских всплесков, TDE могут генерировать инфракрасное излучение, особенно в „пыльных“ галактиках, где центральная черная дыра окутана галактическим мусором. Пыль в таких галактиках обычно поглощает и заслоняет оптическое и рентгеновское излучение, а также любые признаки TDE в этих диапазонах. При этом пыль также нагревается, создавая инфракрасное излучение, которое можно обнаружить. Команда обнаружила, что инфракрасное излучение может служить признаком событий, связанных с приливными нарушениями.

Исследуя инфракрасный диапазон, команда Массачусетского технологического института обнаружила гораздо больше TDE в галактиках, где ранее такие события были скрыты. 18 новых событий произошли в различных типах галактик, разбросанных по всему небу.

Большинство этих источников не видны в оптическом диапазоне, — говорит ведущий автор исследования Меган Мастерсон, аспирантка Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института. «Если вы хотите понять TDE в целом и использовать их для исследования демографических характеристик сверхмассивных черных дыр, вам нужно смотреть в инфракрасном диапазоне».

Среди авторов работы — Кишалай Де, Кристос Панагиоту, Анна-Кристина Эйлерс, Даниэль Фростиг, Роберт Симко, доцент физики Эрин Кара, а также сотрудники из различных институтов, включая Институт внеземной физики Макса Планка в Германии.

Тепловой всплеск

Недавно команда обнаружила самую близкую TDE, проведя поиск с помощью инфракрасных наблюдений. Это открытие открыло новый, инфракрасный путь, по которому астрономы могут искать активно питающиеся черные дыры.

Это первое обнаружение подтолкнуло группу к поиску новых TDE. Для своего нового исследования ученые проанализировали архивные наблюдения, сделанные NEOWISE — обновленной версией широкопольного инфракрасного телескопа НАСА Wide-field Infrared Survey Explorer. Этот спутниковый телескоп был запущен в 2009 году и после небольшого перерыва продолжал сканировать все небо в поисках инфракрасных «переходных процессов», или коротких всплесков.

Команда проанализировала архивные данные наблюдений, используя алгоритм, разработанный соавтором Кишалай Де. Этот алгоритм выявляет закономерности в инфракрасном излучении, которые, скорее всего, являются признаками переходного всплеска инфракрасного излучения. Затем команда сверила отмеченные переходные процессы с каталогом всех известных близлежащих галактик в радиусе 200 мегапарсек, или 600 миллионов световых лет. Они обнаружили, что инфракрасные переходные процессы можно отследить примерно до 1 000 галактик.

Затем они увеличили масштаб сигнала инфракрасной вспышки каждой галактики, чтобы определить, исходит ли сигнал от другого источника, кроме TDE, например, от активного галактического ядра или сверхновой. Исключив эти возможности, команда проанализировала оставшиеся сигналы в поисках инфракрасной картины, характерной для TDE, а именно резкого всплеска, за которым следует постепенный спад, отражающий процесс, при котором черная дыра, разрывая звезду, внезапно нагревает окружающую пыль примерно до 1 000 кельвинов, а затем постепенно остывает.

Этот анализ выявил 18 «чистых» сигналов о событиях приливного разрушения. Исследователи провели обзор галактик, в которых были обнаружены все TDE, и увидели, что они происходят в самых разных системах, включая пылевые галактики, по всему небу.

Если бы вы посмотрели на небо и увидели кучу галактик, то TDE наблюдались бы во всех из них, — говорит Мастерон.

Это не значит, что они происходят только в одном типе галактик, как думали люди, основываясь только на оптических и рентгеновских исследованиях.

Теперь можно пробиться сквозь пыль и завершить перепись близлежащих TDE, — говорит Эдо Бергер, профессор астрономии Гарвардского университета, не принимавший участия в исследовании.

Особенно интересным аспектом этой работы является возможность последующих исследований с помощью больших инфракрасных обзоров, и я с нетерпением жду, какие открытия они принесут.

Пыльное решение

Открытия команды помогают решить некоторые важные вопросы в изучении событий, связанных с приливными нарушениями. Например, до этой работы астрономы наблюдали TDE в основном в одном типе галактик — в «постзвездных» системах, которые ранее были фабрикой звездообразования, но затем успокоились. Этот тип галактик встречается редко, и астрономы были озадачены вопросом, почему TDE появляются только в этих редких системах. Так получилось, что в этих системах также относительно мало пыли, поэтому оптические или рентгеновские излучения TDE, естественно, легче обнаружить.

Теперь, наблюдая в инфракрасном диапазоне, астрономы могут увидеть TDE во многих других галактиках. Новые результаты команды показывают, что черные дыры могут пожирать звезды в самых разных галактиках, а не только в постзвездных системах.

Полученные результаты также решают проблему «недостающей энергии». Физики теоретически предсказывали, что TDE должны излучать больше энергии, чем наблюдалось на самом деле. Но команда из Массачусетского технологического института теперь утверждает, что пыль может объяснить это расхождение. Они обнаружили, что если TDE происходит в пыльной галактике, то сама пыль может поглощать не только оптическое и рентгеновское излучение, но и экстремальное ультрафиолетовое излучение в количестве, эквивалентном предполагаемой „недостающей энергии“.

18 новых обнаружений также помогают астрономам оценить скорость возникновения TDE в той или иной галактике. Если приплюсовать новые TDE к предыдущим обнаружениям, то получится, что галактика переживает событие приливного разрушения раз в 50 000 лет. Этот показатель ближе к теоретическим предсказаниям физиков. С помощью дополнительных инфракрасных наблюдений команда надеется выяснить частоту TDE и свойства черных дыр, которые их вызывают.

Люди придумывали очень экзотические решения этих загадок, а теперь мы подошли к тому моменту, когда можем решить их все, — говорит Кара.

Это дает нам уверенность в том, что нам не нужна вся эта экзотическая физика, чтобы объяснить то, что мы видим. И мы лучше понимаем механику того, как звезда разрывается на части и поглощается черной дырой. Мы лучше понимаем эти системы.

29.01.2024