Звук эха двойной черной дыры, любезно предоставленный Эрин Кара из Массачусетского технологического института и Кайл Кин. Анимация рассчитана Михалом Довчаком.
Черные дыры, питающиеся звездами-компаньонами, могут проходить циклы, когда они излучают вспышки высокой энергии. Астрономы Массачусетского технологического института используют рентгеновские эхо-сигналы этих циклов, чтобы составить карту окружающей среды вокруг этих экзотических объектов, подобно тому, как летучие мыши определяют свое окружение с помощью эхолокации. Согласно новой статье, опубликованной в Astrophysical Journal, астрономы надеются использовать эти новые данные, чтобы узнать больше об эволюции таких систем черных дыр и, соответственно, о формировании галактик.
«Роль черных дыр в эволюции галактик — нерешенный вопрос современной астрофизики, — говорит соавтор Эрин Кара из Массачусетского технологического института. «Эти двойные черные дыры кажутся «мини» сверхмассивными черными дырами, и поэтому, понимая вспышки в этих небольших, близких системах, мы можем понять, как подобные вспышки в сверхмассивных черных дырах влияют на галактики, в которых они находятся».
Как мы уже сообщали ранее, распространено заблуждение, что черные дыры ведут себя как космические пылесосы, жадно всасывающие все, что их окружает. На самом деле только то, что проходит за горизонт событий, включая свет, поглощается и не может улететь, хотя черные дыры также являются беспорядочными едоками. Это означает, что часть вещества объекта выбрасывается мощной струей.
Если этот объект является звездой, такой как звезда-компаньон двойной системы черной дыры, процесс измельчения (или «спагеттизации») мощными гравитационными силами черной дыры происходит за горизонтом событий, и часть первоначальная масса резко выбрасывается наружу. Этот процесс может сформировать вращающееся кольцо материи (также известное как аккреционный диск) вокруг черной дыры, которая излучает мощные рентгеновские лучи, видимый свет, а иногда и радиоволны. Эти струи — один из способов, которым астрономы могут косвенно сделать вывод о наличии черной дыры.
Команду Массачусетского технологического института особенно интересовали системы, в которых звезда-компаньон имеет массу около одной солнечной и демонстрирует циклические вспышки в виде рентгеновских вспышек. По мнению авторов, большинство ученых считают, что роль в этих циклах играет горячая плазма, расположенная вблизи черной дыры, называемая рентгеновской короной, но остаются вопросы о том, как в первую очередь формируется рентгеновская корона, поскольку а также то, как он развивается во время вспышки.
Аврора Симоннет / Центр космических полетов имени Годдарда НАСА
Испускаемые рентгеновские лучи иногда могут отражаться от аккреционного диска, создавая «эхо» первоначального излучения. И обнаружение этих эхо дает прекрасную возможность проследить, как черная дыра эволюционирует по мере своего питания. В частности, можно оценить временную задержку между моментом, когда телескоп обнаруживает свет от короны, и моментом, когда он улавливает рентгеновские эхо-сигналы, и отслеживать, как эта задержка смещается по мере того, как система работает в цикле вспышки.
Астрономы ранее обнаружили рентгеновское эхо (или реверберацию) от двух двойных систем в галактике Млечный Путь. Чтобы найти больше, команда Массачусетского технологического института разработала автоматизированный инструмент поиска, получивший название «Машина реверберации», и использовала его для анализа данных, собранных исследователем внутреннего состава нейтронной звезды НАСА (NICER) на борту МКС. Реверберационная машина идентифицировала 26 двойных систем-кандидатов в черные дыры, и 10 из них (включая ранее обнаруженные системы) излучали обнаруживаемое рентгеновское эхо.
Все восемь новых двойных систем черных дыр, испускающих эхо, имели массу от 5 до 15 масс Солнца, а все звезды-компаньоны были размером с наше Солнце. «Насколько мы можем судить, тот факт, что мы видим обнаружения только примерно в половине черных дыр, связан с их более высоким качеством данных, а не с тем, что они особенно уникальны», — сказал Кара Ars.
Что эти новые данные говорят астрономам о том, как развивается двойная черная дыра во время вспышки? Команда Массачусетского технологического института смогла создать достаточно универсальную картину. Система обычно начинается в относительно спокойном состоянии. По мере того, как материал падает на аккреционный диск быстрее, рентгеновское излучение также увеличивается в яркости, при этом преобладают «жесткие» рентгеновские лучи. Это так называемое «жесткое состояние» создает корону и струю частиц, вылетающих в космос со скоростью, близкой к скорости света. В течение этого периода команда обнаружила, что временные задержки между излучением и эхом были короткими и быстрыми, всего миллисекунды.
Через несколько недель цикл вспышек исчерпал себя, потому что черная дыра почти закончила свою звездную трапезу, произведя последнюю драматическую вспышку, прежде чем она войдет в «мягкое» состояние с более низкой энергией, в конечном итоге вернувшись в состояние покоя. Команда Массачусетского технологического института была заинтригована, обнаружив, что во время этого перехода временные задержки стали длиннее для всех 10 систем, что подразумевает увеличение расстояния между короной и аккреционным диском. Они предположили, что это может быть результатом расширения короны во время последнего всплеска высокой энергии.
«Мы только начинаем использовать эти световые эхо для реконструкции окружающей среды, ближайшей к черной дыре», — сказал Кара. «Теперь мы показали, что эти эхо-сигналы обычно наблюдаются, и мы можем по-новому исследовать связи между диском, джетом и короной черной дыры».
