Два нові дослідження Чорні діри пожирають цілі зірки
Чорні діри ковтають все, що до них наближається. Два нові дослідження дають уявлення про “харчові звички” загадкових об’єктів. Дослідники сподіваються, що це дасть важливу інформацію про утворення галактик.
Чорні діри - одні з найзагадковіших об’єктів у космосі. Вони можуть об’єднати масу мільйонів, а іноді і мільярдів сонць, а їх надзвичайна гравітація гарантує, що від них не може вирватися навіть світло. Цьому факту зобов'язані своє ім'я гравітаційні чудовиська, і саме з цієї причини їх не можна спостерігати безпосередньо за допомогою телескопів. Однак якщо чорна діра поглинає нову речовину, вона спочатку загоряється до того, як її проковтнуть. І, спостерігаючи за цією космічною трапезою, можна дізнатися багато нового про властивості важковаговиків. На щорічній зустрічі Американського астрономічного товариства (ААС) у Сіетлі дослідники представили нові результати таких "досліджень харчування".
Чорні діри роздирають зірки
Надзвичайна чорна діра спить у серцях більшості галактик, що має великий вплив на еволюцію всієї галактики. На відстані, як правило, кілька сотень тисяч років, вона пробуджується до нової активності: якщо зірка наближається, вона розривається на шматки гігантською силою тяжіння і, нарешті, поглинається.
Така "подія припливу і відливу" була зареєстрована автоматичною телескопічною системою в листопаді 2014 року в галактиці за 290 мільйонів світлових років. Світловий рік - це відстань, яку світло проходить за рік - близько 9,5 трильйонів кілометрів. Зірка була розірвана сильними припливними силами чорної діри: її гравітація тягне сильніше на ближній стороні зірки, ніж на далекій, розриваючи зірку.
Дослідники визначають обертання чорної діри
Кілька обсерваторій стежили за космічною драмою. На основі спостережень група, очолювана Дірадж Пашем з Массачусетського технологічного інституту (MIT), тепер визначила обертання чорної діри, так званий спін. Цей спін знаходиться поруч із масою, яка може бути отримана з впливу сили тяжіння на інші небесні тіла, найважливішої властивості гравітаційних чудовиськ, яку неможливо легко визначити.
"Дуже важко обмежити обертання чорної діри, оскільки ефекти обертання з'являються лише дуже близько до самої діри, де гравітація надзвичайно сильна і важко отримати чітке уявлення", - пояснює Пашем у прес-релізі Європейське космічне агентство Esa. Їх рентгенівський супутник "XMM-Newton" був цільовим заходом.
Матерія розжарюється, а потім ковтається
Матерія зірваної зірки не потрапляє безпосередньо в чорну діру, а збирається у своєрідному вихорі, так званому нарощувальному диску, перш ніж остаточно проковтнути. Матерія на цьому диску нагрівається на мільйони градусів і випромінює яскраві рентгенівські промені. За словами Пашама, спостереження за внутрішньою ділянкою акреційного диска має дозволити визначати спін відповідно до моделей. "Однак спостереження за такими подіями були недостатньо чутливими, щоб детально дослідити цю область високої гравітації - до цього часу".
У даних європейського рентгенівського супутника та космічних телескопів "Чандра" та "Свіфт" американського космічного агентства NASA вчені виявили регулярне коливання сигналу з чорної діри з ритмом 131 секунду. Сигнал можна було спостерігати протягом 450 днів, як повідомляє команда в журналі "Science".
Докладне спостереження є першим
"Це надзвичайна знахідка: такого яскравого сигналу, який так довго залишається стабільним, ніколи не спостерігалося поблизу жодної чорної діри", - підкреслює співавтор Алесія Франчіні з Міланського університету. "І крім того, сигнал надходить із безпосередньої близькості від горизонту подій чорної діри - за цією точкою ми не можемо нічого спостерігати, оскільки сила тяжіння настільки сильна, що навіть світло не може втекти".
З ритму рентгенівських імпульсів дослідники вивели розміри так званої найменшої стабільної кругової орбіти (ISCO; найглибша стабільна кругова орбіта) навколо чорної діри. Вони, в свою чергу, зумовлені тим, як швидко обертається чорна діра. Результат аналізу: Досліджувана чорна діра повинна обертатися принаймні на 50 відсотків від швидкості світла.
"Це не надто швидко - існують інші чорні діри, обертання яких, за оцінками, становлять близько 99 відсотків швидкості світла", - пояснює Пашем. "Але це перший раз, коли нам вдалося використати спалах приливної події зірваного зірки, щоб стримати обертання надмасивної чорної діри".
Важливий крок у розумінні галактик
Таким чином, дослідження демонструє новий метод визначення спіна надмасивних чорних дір. Дослідники сподіваються виявити більше таких подій протягом наступного десятиліття. Оцінка обертання кількох чорних дір від початку часів до наших днів може допомогти, наприклад, при дослідженні питання про те, чи існує зв'язок між віком і спіном чорної діри, вони пояснюють.
"Події, в яких чорні діри розривають зірки, які надходять занадто близько до них, можуть допомогти нам скласти карту обертань кількох чорних дір, які не активні і в іншому випадку приховані в центрах галактик", - пояснює Пашем. "Це в кінцевому рахунку може допомогти нам зрозуміти, як галактики еволюціонували протягом космічного часу".
Але не просто надмасивні чорні діри в центрах великих галактик поглинають нову матерію. Команда під керівництвом Ерін Кара з Університету штату Меріленд спостерігала відносно невелику чорну діру, яка приблизно вдесятеро перевищує масу нашого Сонця, коли вона всмоктує матеріал зірки-супутника. Дослідження, також представлене на конгресі астрономів у Сіетлі, дає найбільш чітку картину про те, як такі маленькі зоряні чорні діри споживають речовину та випромінюють енергію, повідомляють дослідники.
Чорна діра поруч із сузір’ям Лева
Команда використовувала прилад "Nicer" (Інтер'єр композиції нейтронних зірок), який насправді був побудований для вивчення так званих нейтронних зірок, з Міжнародної космічної станції МКС, щоб дослідити раптово мерехтливу чорну діру, яка знаходиться в сузір'ї Лева приблизно за 10 000 світлових років. Він був зареєстрований 11 березня 2018 року японським приладом "Maxi", який здійснює пошук у всьому небі на предмет раптових сплесків випромінювання в діапазоні рентгенівських променів, а тому носить каталог номер MAXI J1820 + 070.
Раніше невідома чорна діра, відома під назвою J1820, лише за кілька днів перетворилася на одне з найяскравіших джерел рентгенівських променів і запропонувала дослідникам ідеальну перспективу спостереження. "Ця блискуча яскрава чорна діра вийшла абсолютно безперешкодною на екрані, так що ми отримали дуже чітке уявлення про те, що відбувається", - повідомляє колега Кара Джек Штайнер з Массачусетського технологічного інституту (MIT). Це дозволило вченим простежити, як саме розвивалась чорна діра протягом їжі.
Легке відлуння спостерігається з МКС
Корона, хмара надзвичайно гарячого газу, розташована над чорною дірою та її акреційним диском, відіграє центральну роль. За допомогою програми «Найкраще» вчені спостерігали так звані світлові відлуння: світло від корони не тільки доходить до нас безпосередньо, але і є своєрідним відображенням від акреційного диска внизу.
"Приємніше" дозволило нам виміряти відлуння світла ближче до зоряної чорної діри, ніж будь-коли раніше ", - підкреслює Кара. “Дотепер ці світлові відлуння з внутрішнього акреційного диска спостерігалися лише у надмасивних чорних дірах, які мають мільйони-мільярди сонячних мас і які змінюються лише повільно. Зоряні чорні діри, такі як J1820, мають набагато меншу масу і еволюціонують набагато швидше, тому зміни відбуваються на масштабах часу людини ".
У ході спостережень світле відлуння було скорочено, як повідомляють дослідники в журналі "Nature". Це означає, що відстань між короною та акреційним диском зменшилась. Оскільки додаткові аналізи показали, що розширення акреційного диска не змінилося, дослідники прийшли до висновку, що корона скоротилася близько до чорної діри. Хмара гарячого газу зменшилась із приблизно 100 до десяти кілометрів протягом приблизно місяця. "Це перший явний випадок зменшення корони, тоді як диск залишається незмінним", - підкреслює Штайнер .
Вчені перевіряють аналогії з іншими чорними дірами
"Спостереження" Найкращі "від J1820 показали нам щось нове про зоряні чорні діри та те, як ми могли б використовувати їх як аналоги для вивчення надмасивних чорних дір та їх впливу на еволюцію галактик", - додає співавтор Філіп Аттлі з Амстердамського університету. Якщо дослідники зрозуміють, як і чому ці зміни відбуваються у зоряних чорних дірах протягом тижнів, вони можуть отримати нові уявлення про мільйони років еволюції надмасивних чорних дір - та їх вплив на їхні домашні галактики.