Астрофизики зарегистрировали рекордные по частоте рентгеновские вспышки от сверхмассивной черной дыры

В 2018 году с помощью автоматизированной системы All-Sky Automated Survey for Super-Novae, которая ищет сверхновые в ночном небе, ученые зарегистрировали вспышку в галактике 1ES 1927+654. Источник события — активная сверхмассивная черная дыра в центре галактики, массой равной миллиону масс Солнца. Яркость объекта возросла почти в 40 раз, но затем сильно снизилась, а через какое-то время восстановилась до изначально наблюдаемых значений. Изменения яркости были особенно заметны в рентгеновском диапазоне. 

Тогда ученые пришли к выводу, что причина колебания яркости — корона черной дыры, облако вихрящейся раскаленной плазмы. Корона внезапно и почти полностью испарилась, а через некоторое время вновь восстановилась. По мнению авторов научной работы, аномалию вызвала мимо проходящая с черной дырой звезда, которая под действием приливных сил разрушилась, что привело к временному исчезновению короны. Остатки звезды попали в аккреционный диск, это спровоцировало быстрое поглощение материи из его внутренней части. В результате работа магнитного поля черной дыры нарушилась, оно временно оказалось не способно генерировать и поддерживать высокоэнергетическую корону.

Новые наблюдения за 1ES 1927+654 помогли сделать еще одно открытие. Команда астрофизиков под руководством Меган Мастерсон (Megan Masterson) из Массачусетского технологического института (США) зафиксировала рентгеновские вспышки, исходящие из окрестностей черной дыры с постоянно растущей частотой. Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.

В 2019 году исследователи открыли так называемые квазипериодические рентгеновские вспышки, которые исходят из ядер галактик малой массы, содержащих сверхмассивные черные дыры. Эти события представляют собой быстрые всплески рентгеновского излучения, которые, как считается, могут повторяться с периодом от нескольких часов до почти суток. Механизм их генерации до конца не понятен. 

Периодичность рентгеновских вспышек в центре 1ES 1927+654 отличается от периодичности вспышек всех ранее наблюдаемых источников. Команда Мастерсон заметила, что в начале наблюдений, которые стартовали в 2022 году с помощью космического рентгеновского телескопа XMM-Newton, вспышки повторялись с периодом в 18 минут. Однако спустя два года интервал сократился до семи минут, что стало рекордным значением. Ранее ученые никогда не видели, чтобы рентгеновские вспышки от черной дыры так часто повторялись.

Среди возможных причин этого явления авторы научной работы назвали белый карлик — маленькую звезду размером с Землю, но очень массивную и весьма плотную: в среднем ее вещество в миллионы раз плотнее воды. Белый карлик, вероятно, вращается на орбите вокруг черной дыры и иногда приближается к горизонту событий — к границе области пространства-времени, где силы гравитации столь велики, что ни один сигнал не может покинуть пределы этой области и достичь внешнего наблюдателя. 

«Белые карлики — очень плотные объекты, поэтому могут приближаться к черным дырам гораздо ближе, чем другие тела. В нашем случае он должен обладать своего рода чувством балансировки, поскольку подходит горизонту событий именно на такое расстояние, которое необходимо, чтобы уцелеть», — пояснила Мастерсон.

Ученые выдвинули гипотезу, что белый карлик, который имеет около одной десятой массы Солнца, расположен практически «в точке невозврата» и, по оценкам, всего в нескольких миллионах километров от горизонта событий. Однако модели предсказывают, что маленькая звезда не упадет в черную дыру. С одной стороны на объект действуют мощные гравитационные силы, которые притягивают белый карлик к черной дыре, с другой он сбрасывает часть своего внешнего слоя в черную дыру, что работает как «сила отталкивания». В результате компактный объект «сопротивляется» и не пересекает горизонт событий. 

По мере приближения к горизонту событий белый карлик начинает двигаться все быстрее, что может объяснить увеличение частоты рентгеновских вспышек, которые наблюдала Мастерсон с коллегами. 

Тот факт, что вспышки зарегистрировали в рентгеновском диапазоне, указывает: источник расположен очень близко к черной дыре. Внутренние области черной дыры — чрезвычайно высокоэнергетическая среда, где рентгеновское излучение создается быстродвижущейся горячей плазмой. На более далеких расстояниях рентгеновское излучение менее вероятно, поскольку в аккреционном диске газ движется медленнее. Вещество в более холодной среде диска может излучать в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, но всплески рентгеновского излучения фиксируются редко. 

Если причина квазипериодических рентгеновских вспышек рекордной частоты в белом карлике, ученые это поймут. Такого рода объекты, взаимодействуя с черной дырой, интенсивно генерируют гравитационные волны, которые могут «поймать» профильные научные приборы. Например, космический детектор гравитационных волн нового поколения NASA Laser Interferometer Space Antenna (LISA), запуск которого запланирован на середину 2030-х годов. 

Мастерсон и ее коллеги сделали два важных вывода. Во-первых, гипотетический белый карлик в системе 1ES 1927+654 может оказаться самым близким объектом в окрестностях черной дыры, который ученые когда-либо находили. В таком случае белые карлики могут подходить очень близко к горизонту событий, при этом «выживать» в течение относительно длительного периода времени. Во-вторых, дальнейшие наблюдения позволят лучше понять, как объекты ведут себя в экстремальных условиях вблизи горизонта событий.

В любом случае исследователи продолжат следить за галактикой 1ES 1927+654 и изучать, как изменения в поведении белого карлика и черной дыры могут привести к новым открытиям в астрофизике.