Аппарат Европейского космического агентства XMM-Newton обнаружил быстрые колебания рентгеновского излучения, исходящего от самого края сверхмассивной черной дыры в сердце близлежащей галактики. Полученные результаты рисуют захватывающую картину, которая опровергает наши представления о том, как материя падает в такие черные дыры, и указывает на потенциальный источник гравитационных волн, который может увидеть LISA — будущая миссия ESA.
Телескоп XMM-Newton показывает нам, что черные дыры пожирают материю более сложными способами, чем астрономы думали сначала. Черные дыры — это предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Это гравитационные монстры, которые поглощают любую частицу материи или энергии, пересекающую их «поверхность» — область пространства-времени, известную как горизонт событий.
Во время своего окончательного падения в черную дыру — процесса, известного как аккреция, — обреченная материя образует диск вокруг черной дыры. Газ в аккреционном диске нагревается и испускает в основном ультрафиолетовое (УФ) излучение.
Ультрафиолетовые лучи взаимодействуют с облаком электрически заряженного газа, или плазмы, которое окружает черную дыру и аккреционный диск. Это облако известно как корона, и в результате взаимодействия ультрафиолетовые лучи приобретают энергию, повышая ее до рентгеновских лучей, которые может уловить XMM-Newton.
XMM-Newton наблюдает за сверхмассивной черной дырой 1ES 1927+654 с 2011 года. Тогда все было вполне нормально. Но в 2018 году все изменилось.
1ES 1927+654 пережила большую вспышку, которая, похоже, нарушила ее окружение, потому что рентгеновская корона исчезла. Постепенно корона вернулась, и к началу 2021 года нормальное состояние было восстановлено.
Загадочное поведение
Однако в июле 2022 года XMM-Newton начал наблюдать, что мощность рентгеновского излучения меняется на уровне около 10 % на временных интервалах от 400 до 1000 секунд. Квазипериодические осцилляции (QPO), как называют этот тип изменчивости, как известно, трудно обнаружить в сверхмассивных черных дырах.
«Это был наш первый признак того, что происходит что-то странное, — говорит Меган Мастерсон, аспирант Массачусетского технологического института (США), возглавлявшая исследование XMM-Newton.
Колебания могут свидетельствовать о том, что в аккреционный диск встроен массивный объект, например звезда, который быстро вращается вокруг черной дыры. По мере приближения объекта к черной дыре время движения по орбите уменьшается, что приводит к увеличению частоты колебаний.
Расчеты показали, что этот орбитальный объект, вероятно, представляет собой звездное тело, известное как белый карлик, с массой, примерно в 0,1 массы Солнца, движущийся с невероятной скоростью. Он совершал один оборот вокруг центрального монстра, преодолевая расстояние около 100 миллионов километров, каждые восемнадцать минут или около того.
Затем все стало еще более странным.
В течение почти двух лет рентгеновский телескоп XMM-Newton показал, что колебания становятся все более сильными и частыми — но не так, как ожидали исследователи.
Команда предположила, что орбитальная энергия объекта излучается в виде гравитационных волн, как это диктует общая теория относительности. Чтобы проверить эту идею, Меган рассчитала, когда этот объект пересечет горизонт событий, исчезнет из виду и колебания прекратятся. Оказалось, что это будет 4 января 2024 года.
«За всю свою карьеру мне еще никогда не удавалось сделать столь точное предсказание», — говорит Эрин Кара из Массачусетского технологического института, научный руководитель Меган по докторской диссертации.
XMM-Newton исследует дальше
В марте 2024 года XMM-Newton снова посмотрел на объект — колебания сохранились. Теперь объект двигался со скоростью, примерно равной половине скорости света, и завершал орбиту каждые семь минут. Что бы ни находилось в аккреционном диске, оно упорно отказывалось быть поглощенным черной дырой. Либо здесь дело не только в гравитационных волнах, либо нужно менять всю гипотезу.
Исследователи рассмотрели и другую возможность происхождения колебаний. Вспомнив об исчезновении рентгеновской короны в 2018 году, они задались вопросом, не может ли колебаться само это облако.
Проблема заключалась в том, что не существует устоявшейся теории, объясняющей такое поведение, поэтому, не имея четкого пути для развития этой идеи, они вернулись к первоначальной модели и поняли, что есть способ ее модифицировать.
Астрономы обнаружили пары белых карликов, постепенно приближающихся друг к другу по спирали. По мере их сближения один из них, вместо того чтобы оставаться целым, может начать оттягивать материю от другого, и это замедляет сближение двух объектов. Может быть, здесь происходит то же самое, и вместо того, чтобы целым и невредимым отправиться в черную дыру, белый карлик медленно разрывается на части?
Есть способ решить это.
Будущее исследование LISA
В 2030-х годах ESA запустит космическую антенну лазерного интерферометра (LISA), которая призвана обнаружить гравитационные волны именно в том диапазоне частот, который испускает 1ES 1927+654. «Мы предсказываем, что если на орбите вокруг этой сверхмассивной черной дыры есть белый карлик, то LISA должна его увидеть, — говорит Меган. Если так, то это будет увлекательный взгляд на то, что происходит так близко к гравитационному монстру».
«Это еще один прекрасный пример уникальных возможностей XMM-Newton. Он сыграл решающую роль в получении этого результата и является единственной обсерваторией, способной зафиксировать этот QPO-сигнал с такой четкостью». Обнаружение было сделано благодаря изысканному сочетанию длительных наблюдений, большой площади сбора во всем рентгеновском диапазоне и временного разрешения XMM-Newton», — говорит Норберт Шартель, научный сотрудник проекта ESA XMM-Newton.
