Апарат Європейського космічного агентства XMM-Newton виявив швидкі коливання рентгенівського випромінювання, що виходить від самого краю надмасивної чорної діри в серці прилеглої галактики. Отримані результати малюють захоплюючу картину, яка спростовує наші уявлення про те, як матерія падає в такі чорні діри, і вказує на потенційне джерело гравітаційних хвиль, яке може побачити LISA — майбутня місія ESA.
Телескоп XMM-Newton показує нам, що чорні діри пожирають матерію складнішими способами, ніж астрономи думали спочатку. Чорні діри — це передбачення загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Це гравітаційні монстри, які поглинають будь-яку частинку матерії або енергії, що перетинає їхню «поверхню» — область простору-часу, відому як горизонт подій.
Під час свого остаточного падіння в чорну діру — процесу, відомого як акреція, — приречена матерія утворює диск навколо чорної діри. Газ в акреційному диску нагрівається і випускає в основному ультрафіолетове (УФ) випромінювання.
Ультрафіолетові промені взаємодіють із хмарою електрично зарядженого газу, або плазми, що оточує чорну діру й акреційний диск. Ця хмара відома як корона, і в результаті взаємодії ультрафіолетові промені набувають енергії, підвищуючи її до рентгенівських променів, які може вловити XMM-Newton.
XMM-Newton спостерігає за надмасивною чорною дірою 1ES 1927+654 з 2011 року. Тоді все було цілком нормально. Але у 2018 році все змінилося.
1ES 1927+654 пережила великий спалах, який, схоже, порушив її оточення, тому що рентгенівська корона зникла. Поступово корона повернулася, і до початку 2021 року нормальний стан було відновлено.
Загадкова поведінка
Однак у липні 2022 року XMM-Newton почав спостерігати, що потужність рентгенівського випромінювання змінюється на рівні близько 10 % на часових інтервалах від 400 до 1000 секунд. Квазіперіодичні осциляції (QPO), як називають цей тип мінливості, як відомо, важко виявити в надмасивних чорних дірах.
«Це була наша перша ознака того, що відбувається щось дивне, — каже Меган Мастерсон, аспірантка Массачусетського технологічного інституту (США), яка очолювала дослідження XMM-Newton.
Коливання можуть свідчити про те, що в акреційний диск вбудований масивний об'єкт, наприклад зірка, який швидко обертається навколо чорної діри. У міру наближення об'єкта до чорної діри час руху по орбіті зменшується, що призводить до збільшення частоти коливань.Розрахунки показали, що цей орбітальний об'єкт, ймовірно, є зоряним тілом, відомим як білий карлик, з масою приблизно 0,1 маси Сонця, що рухається з неймовірною швидкістю. Він здійснював один оберт навколо центрального монстра, долаючи відстань близько 100 мільйонів кілометрів, кожні вісімнадцять хвилин або близько того.
Потім усе стало ще більш дивним.
Протягом майже двох років рентгенівський телескоп XMM-Newton показав, що коливання стають дедалі сильнішими і частішими — але не так, як очікували дослідники.
Команда припустила, що орбітальна енергія об'єкта випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль, як це диктує загальна теорія відносності. Щоб перевірити цю ідею, Меган розрахувала, коли цей об'єкт перетне горизонт подій, зникне з поля зору і коливання припиняться. Виявилося, що це буде 4 січня 2024 року.
«За всю свою кар'єру мені ще ніколи не вдавалося зробити настільки точне пророцтво», — каже Ерін Кара з Массачусетського технологічного інституту, науковий керівник Меган за докторською дисертацією.
XMM-Newton досліджує далі
У березні 2024 року XMM-Newton знову подивився на об'єкт — коливання збереглися. Тепер об'єкт рухався зі швидкістю, що приблизно дорівнює половині швидкості світла, і завершував орбіту кожні сім хвилин. Що б не знаходилося в акреційному диску, воно вперто відмовлялося бути поглинутим чорною дірою. Або тут справа не тільки в гравітаційних хвилях, або потрібно змінювати всю гіпотезу.
Дослідники розглянули й іншу можливість походження коливань. Згадавши про зникнення рентгенівської корони у 2018 році, вони задалися питанням, чи не може коливатися сама ця хмара.
Проблема полягала в тому, що не існує усталеної теорії, яка б пояснювала таку поведінку, тому, не маючи чіткого шляху для розвитку цієї ідеї, вони повернулися до первісної моделі і зрозуміли, що є спосіб її модифікувати.
Астрономи виявили пари білих карликів, що поступово наближаються один до одного по спіралі. У міру їхнього зближення один із них, замість того щоб залишатися цілим, може почати відтягувати матерію від іншого, і це уповільнює зближення двох об'єктів. Можливо, тут відбувається те ж саме, і замість того, щоб цілим і неушкодженим відправитися в чорну діру, білий карлик повільно розривається на частини?
Є спосіб вирішити це.
Майбутнє дослідження LISA
У 2030-х роках ESA запустить космічну антену лазерного інтерферометра (LISA), яка покликана виявити гравітаційні хвилі саме в тому діапазоні частот, що випускає 1ES 1927+654. «Ми передбачаємо, що якщо на орбіті навколо цієї надмасивної чорної діри є білий карлик, то LISA повинна його побачити, — каже Меган. Якщо так, то це буде захопливий погляд на те, що відбувається так близько до гравітаційного монстра».
«Це ще один прекрасний приклад унікальних можливостей XMM-Newton. Він зіграв вирішальну роль в отриманні цього результату і є єдиною обсерваторією, здатною зафіксувати цей QPO-сигнал з такою чіткістю». Виявлення було зроблено завдяки вишуканому поєднанню тривалих спостережень, великої площі збору в усьому рентгенівському діапазоні та часової роздільної здатності XMM-Newton», — говорить Норберт Шартель, науковий співробітник проєкту ESA XMM-Newton.
