Телескопы НАСА разработали график питания черной дыры

Используя новые данные рентгеновской обсерватории НАСА Chandra и обсерватории Neil Gehrels Swift, а также XMM-Newton ЕКА, группа исследователей добилась значительного прогресса в понимании того, как и когда сверхмассивная черная дыра получает и затем потребляет вещество.

Работа, описывающая эти результаты , размещена на сервере препринтов arXiv и будет опубликована в журнале The Astrophysical Journal. Авторы работы — Дирадж Пассам (Массачусетский технологический институт), Эрик Кофлин (Сиракузский университет), Муриэль Гуоло (Университет Джонса Хопкинса), Томас Веверс (Научный институт космического телескопа), Крис Никсон (Лидский университет, Великобритания), Джейсон Хинкл (Гавайский университет в Маноа) и Ананайя Бандопадхьяй (Сиракузы).

На снимке художника показана звезда, частично разрушенная такой черной дырой в системе, известной как AT2018fyk. Сверхмассивная черная дыра AT2018fyk, масса которой примерно в 50 миллионов раз больше солнечной, находится в центре галактики, расположенной на расстоянии около 860 миллионов световых лет от Земли.

Астрономы установили, что вокруг черной дыры AT2018fyk движется звезда на высокоэллиптической орбите, так что ее точка наибольшего сближения с черной дырой намного больше, чем ее ближайшая точка. Во время сближения приливные силы черной дыры оттягивают часть материала от звезды, образуя два приливных хвоста «звездных обломков».

На рисунке показана точка на орбите вскоре после частичного разрушения звезды, когда приливные хвосты все еще находятся в непосредственной близости от звезды. Позже на орбите звезды разрушенное вещество возвращается в черную дыру и теряет энергию, что приводит к значительному увеличению яркости рентгеновского излучения на более поздних этапах орбиты (здесь не показано).

Этот процесс повторяется каждый раз, когда звезда возвращается в точку ближайшего сближения, что происходит примерно каждые 3,5 года. На иллюстрации изображена звезда на второй орбите и диск рентгеновского излучающего газа вокруг черной дыры, который образуется как побочный продукт первого приливного столкновения.

Исследователи обратили внимание на AT2018fyk в 2018 году, когда оптический наземный обзор ASAS-SN обнаружил, что система стала намного ярче. Пронаблюдав за ней с помощью приборов НАСА NICER и Chandra, а также XMM-Newton, исследователи определили, что всплеск яркости произошел в результате «события приливного разрушения», или TDE, которое сигнализирует о том, что звезда была полностью разорвана на части и частично поглощена после слишком близкого подлета к черной дыре. Данные Чандры по AT2018fyk показаны на вставке оптического изображения с более широким полем зрения.

Когда материал разрушенной звезды приблизился к черной дыре, он стал горячее и испустил рентгеновский и ультрафиолетовый (УФ) свет. Затем эти сигналы потускнели, что позволяет предположить, что от звезды не осталось ничего, что могла бы переварить черная дыра.

Однако примерно через два года рентгеновское и ультрафиолетовое излучение галактики снова стало намного ярче. По мнению астрономов, это означает, что звезда, скорее всего, пережила первоначальный гравитационный захват черной дырой и затем вышла на высокоэллиптическую орбиту вокруг черной дыры. Во время второго сближения с черной дырой было оттянуто больше материала, что привело к появлению большего количества рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

Эти результаты были опубликованы в 2023 году в журнале Astrophysical Journal Letters под руководством Томаса Веверса из Научного института космического телескопа в Балтиморе.

«Изначально мы думали, что это обычный случай, когда черная дыра полностью разрывает звезду на части», — говорит Веверс. «Но вместо этого звезда, похоже, живет, чтобы умереть еще раз».

Основываясь на том, что они узнали о звезде и ее орбите, Веверс и его команда предсказали, что вторая трапеза черной дыры закончится в августе 2023 года, и подали заявку на время наблюдений на «Чандре», чтобы проверить это.

«Признаком того, что звездная закуска закончилась, было бы внезапное падение рентгеновского излучения, и именно это мы видим в наблюдениях «Чандры» 14 августа 2023 года», — говорит Дирадж Пашам из Массачусетского технологического института, руководитель новой статьи, посвященной этим результатам. «Наши данные показывают, что в августе прошлого года черная дыра, по сути, вытирала рот и отталкивалась от стола».

Новые данные, полученные «Чандрой» и «Свифтом» после выхода статьи 2023 года, дают исследователям еще более точную оценку того, сколько времени требуется звезде для завершения орбиты, и будущего времени приема пищи для черной дыры. Они определили, что звезда сближается с черной дырой примерно раз в три с половиной года.

«Мы думаем, что третья трапеза черной дыры, если от звезды что-то останется, начнется между маем и августом 2025 года и продлится почти два года», — говорит Эрик Кофлин, соавтор новой работы, из Сиракузского университета в Нью-Йорке. «Вероятно, это будет скорее перекус, чем полноценный обед, потому что вторая порция была меньше первой, а звезда все уменьшается».

Авторы полагают, что изначально у обреченной звезды была другая звезда в качестве спутника, когда она приближалась к черной дыре. Однако когда звездная пара подошла слишком близко к черной дыре, гравитация черной дыры разорвала две звезды. Одна из них вышла на орбиту черной дыры, а другая была выброшена в космос на большой скорости.

«Обреченная звезда была вынуждена резко сменить компаньона — от другой звезды до гигантской черной дыры», — говорит соавтор исследования Муриэль Гуоло из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе. «Ее звездный партнер спасся, а она — нет».

Команда планирует продолжать следить за AT2018fyk как можно дольше, чтобы изучить поведение такой экзотической системы.