Поиск выявил восемь новых источников эха черных дыр
В исследовании, опубликованном сегодня в The Astrophysical Journal, исследователи сообщают об использовании нового автоматизированного инструмента поиска, который они придумали «Машина реверберации», для прочесывания спутниковых данных в поисках признаков эха черных дыр. В ходе своих поисков они обнаружили в нашей галактике восемь новых эхом двойных черных дыр. Ранее было известно, что только две такие системы в Млечном Пути излучают рентгеновское эхо.
Черная дыра уносит материал с соседней звезды в аккреционный диск. Авторы и права: Аврора Симоннет и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
В нашей галактике Млечный Путь разбросаны десятки миллионов черных дыр — чрезвычайно сильных гравитационных колодцев пространства-времени, из которых падающая материя и даже свет никогда не могут выбраться. Черные дыры темны по определению, за исключением тех редких случаев, когда они питаются. Когда черная дыра втягивает газ и пыль от вращающейся вокруг звезды, она может испускать впечатляющие вспышки рентгеновского излучения, которые отражаются от вдыхаемого газа и на короткое время освещают крайние окрестности черной дыры.
Теперь астрономы Массачусетского технологического института ищут вспышки и эхо от близлежащих рентгеновских двойных черных дыр — систем со звездой, вращающейся вокруг черной дыры и иногда поглощаемой ею. Они анализируют эхо от таких систем, чтобы реконструировать непосредственную, крайнюю окрестность черной дыры.
В исследовании, опубликованном сегодня в The Astrophysical Journal , исследователи сообщают об использовании нового автоматизированного инструмента поиска, который они придумали «Машина реверберации», для прочесывания спутниковых данных в поисках признаков эха черных дыр. В ходе своих поисков они обнаружили в нашей галактике восемь новых эхом двойных черных дыр. Ранее было известно, что только две такие системы в Млечном Пути излучают рентгеновское эхо.
Сравнивая эхосигналы в разных системах, команда собрала общую картину того, как черная дыра развивается во время вспышки. Они заметили, что во всех системах черная дыра сначала переходит в «жесткое» состояние, выбрасывая корону фотонов высокой энергии вместе со струей релятивистских частиц, которая вылетает со скоростью, близкой к скорости света. Исследователи обнаружили, что в определенный момент черная дыра испускает последнюю высокоэнергетическую вспышку, прежде чем перейти в «мягкое» низкоэнергетическое состояние.
Эта последняя вспышка может быть признаком того, что корона черной дыры, область высокоэнергетической плазмы сразу за границей черной дыры, ненадолго расширяется, выбрасывая последнюю вспышку высокоэнергетических частиц, прежде чем полностью исчезнуть. Эти результаты могут помочь объяснить, как более крупные сверхмассивные черные дыры в центре галактики могут выбрасывать частицы в огромных космических масштабах, формируя формирование галактики.
«Роль черных дыр в эволюции галактик — нерешенный вопрос современной астрофизики», — говорит Эрин Кара, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Интересно, что эти двойные черные дыры кажутся «мини» сверхмассивными черными дырами , и поэтому, понимая вспышки в этих небольших, близких системах, мы можем понять, как подобные вспышки в сверхмассивных черных дырах влияют на галактики, в которых они находятся».
Первый автор исследования — аспирант Массачусетского технологического института Джинги Ван; другие соавторы включают Маттео Луккини и Рона Ремилларда из Массачусетского технологического института, а также сотрудников из Калифорнийского технологического института и других учреждений.
Рентгеновские задержки
Кара и ее коллеги используют рентгеновское эхо для составления карты окрестностей черной дыры, подобно тому, как летучие мыши используют звуковое эхо для навигации по окружающей среде. Когда летучая мышь издает крик, звук может отражаться от препятствия и возвращаться к летучей мыши в виде эха. Время, необходимое для возвращения эха, зависит от расстояния между летучей мышью и препятствием, что дает животному мысленную карту своего окружения.
Аналогичным образом команда Массачусетского технологического института пытается составить карту ближайших окрестностей черной дыры с помощью рентгеновских эхо-сигналов. Эхо-сигналы представляют собой временные задержки между двумя типами рентгеновского излучения: светом, излучаемым непосредственно короной, и светом короны, который отражается от аккреционного диска вдыхаемого газа и пыли.
Время, когда телескоп получает свет от короны, по сравнению с тем, когда он получает рентгеновское эхо, дает оценку расстояния между короной и аккреционным диском. Наблюдение за тем, как меняются эти временные задержки, может показать, как эволюционируют корона и диск черной дыры по мере того, как черная дыра поглощает звездный материал.
Эхо эволюция
В своем новом исследовании команда разработала алгоритм поиска для прочесывания данных, полученных с помощью NASA Neutron Star Internal Composition Explorer или NICER, рентгеновского телескопа с высоким временным разрешением на борту Международной космической станции. Алгоритм выбрал 26 рентгеновских двойных систем черных дыр, которые, как ранее было известно, испускают рентгеновские вспышки. Из этих 26 команда обнаружила, что 10 систем были достаточно близкими и яркими, чтобы можно было различить рентгеновское эхо среди вспышек. Ранее не было известно, что восемь из десяти излучают эхо.
«Мы видим новые признаки реверберации в восьми источниках», — говорит Ван. «Черные дыры имеют массу от 5 до 15 масс Солнца, и все они находятся в двойных системах с нормальными солнцеподобными звездами малой массы».
В качестве побочного проекта Кара работает с Кайлом Кином и Яном Кондри, учеными из Массачусетского технологического института в области образования и музыки, над преобразованием излучения типичного рентгеновского эха в слышимые звуковые волны.
Предоставлено: Массачусетский технологический институт.
Затем исследователи запустили алгоритм на 10 двойных черных дырах и разделили данные на группы со схожими «спектральными временными характеристиками», то есть с одинаковыми задержками между высокоэнергетическим рентгеновским излучением и повторно обработанным эхом. Это помогло быстро отследить изменение рентгеновского эха на каждом этапе вспышки черной дыры.
Команда определила общую эволюцию для всех систем. В начальном «жестком» состоянии, когда в энергии черной дыры доминирует корона и струя высокоэнергетических частиц, они обнаружили короткие и быстрые временные задержки, порядка миллисекунд. Это тяжелое состояние длится несколько недель. Затем в течение нескольких дней происходит переход, во время которого корона и струя распыляются и затухают, и наступает мягкое состояние, в котором преобладают низкоэнергетические рентгеновские лучи от аккреционного диска черной дыры.
Во время этого переходного состояния от жесткого к мягкому команда обнаружила, что временные задержки на мгновение увеличились во всех 10 системах, что означает, что расстояние между короной и диском также увеличилось. Одно из объяснений состоит в том, что корона может ненадолго расшириться наружу и вверх, совершив последний всплеск высокой энергии, прежде чем черная дыра закончит большую часть своей звездной трапезы и затихнет.
«Мы только начинаем использовать эти световые эхо для реконструкции среды, ближайшей к черной дыре», — говорит Кара. «Теперь мы показали, что эти эхо-сигналы обычно наблюдаются, и мы можем по-новому исследовать связи между диском, джетом и короной черной дыры».
