Некоторые черные дыры излучают своего рода «сердцебиение», и астрономы думают, что наконец-то поняли, почему
Группа китайских астрономов зафиксировала повторяющиеся сигналы, похожие на «сердцебиение» некоторых черных дыр во время поглощения массивного газа. Изучение этих регулярных пульсаций, подтвержденное углубленным анализом поведения конкретной черной дыры, может дать лучшее понимание сложных процессов, происходящих в окрестностях этих загадочных массивных объектов. Данные получены с помощью космических обсерваторий NICER и NuSTAR.
В 2007 году от черной дыры в галактике RE J1034+396 был зафиксирован загадочный сигнал, напоминающий биение сердца. Спустя почти десять лет спутник Европейского космического агентства (ESA) XMM-Newton, специализирующийся на наблюдении за рентгеновскими лучами, зафиксировал подобные «удары», подтвердив постоянство и интенсивность этих пульсаций.
Когда черные дыры входят в состав бинарной системы и делят орбиту с активной звездой, они постепенно всасывают газ последней. Поглощенная материя сжимается и нагревается, достигая экстремальных температур и испуская мощное рентгеновское излучение. При одновременном поглощении большого количества вещества этот процесс может привести к взрыву. Детальные наблюдения показали, что наряду с глобальными извержениями могут происходить и регулярные импульсы.
Чтобы выяснить происхождение этих пульсаций, ученые из Института физики высоких энергий Китайской академии наук провели новое исследование. Они проанализировали данные наблюдений за черной дырой IGR J17091-3624, расположенной на расстоянии 28 000 световых лет от Земли, собранные в период с июня по июль 2022 года космическими обсерваториями NICER и NuSTAR. Исследователи обнаружили новую модель изменчивости, названную X-классом, которая характеризуется регулярными симметричными импульсами в рентгеновском излучении.
В центре исследования — аккреционный диск черной дыры
«В этом исследовании мы проводим детальный фазово-разрешенный анализ «сердцебиения» переменности X-класса, недавно обнаруженной в IGR J17091-3624 во время ее взрыва в 2022 году», — говорится в исследовании, опубликованном на сервере предварительной публикации . В работе показано уменьшение высокоэнергетического рентгеновского излучения, когда импульсы достигают своего пика. Они утверждают: «Дефицит высокоэнергетического рентгеновского потока (> 20 кэВ) обнаруживается на пиковых фазах мягкой рентгеновской вспышки с уровнем достоверности около 15 сигма по фазово-сложенным кривым блеска».
Команда также наблюдала изменения в спектральной форме. Когда материя попадает в черную дыру, она сжимается, образуя быстро вращающийся диск, называемый аккреционным. Если внутренний край этого диска наклоняется, остальная часть светится под действием рентгеновских лучей, создавая нестабильность, которая и вызывает вариации.
Антикорреляция этого явления, то есть уменьшение количества испускаемых рентгеновских лучей, говорит о взаимодействии между аккреционным диском и окружающей его короной электронов. Когда диск временно фрагментируется, он теряет свою связность и отправляет значительную массу материи в сторону черной дыры, высвобождая большое количество излучения. Этот процесс вызывает импульс, и когда излучение нагревает газ, он стабилизируется, после чего цикл повторяется, генерируя новый импульс («сердцебиение»).
Команда также обнаружила, что температура и скорость потока в диске менялись синхронно с частотой импульсов. Это указывает на то, что нестабильности внутри диска являются основной движущей силой вспышек. Такое поведение перекликается с открытием, сделанным в 2022 году отдельной командой под руководством астрофизика Мариано Мендеса из Гронингенского университета в Нидерландах, касающимся черной дыры GRS 1915+105.
Однако эти сигналы биения являются редким явлением: они наблюдались пока только в двух черных дырах из сотен изученных. Результаты этого исследования должны открыть путь к лучшему пониманию черных дыр звездной массы.