Астрономы используют «космическую эхолокацию», чтобы исследовать окрестности черной дыры

Материал, падающий в черную дыру, выбрасывает рентгеновское излучение в космос, и теперь астрономы использовали эхо-сигналы этого излучения для отображения динамического поведения и окружения самой черной дыры.

Большинство черных дыр слишком далеко от нас, чтобы мы могли определить их непосредственное окружение, но мы все еще можем исследовать эти загадочные объекты, наблюдая за тем, как материя ведет себя, когда она приближается и падает в них.

Когда материал движется по спирали к черной дыре, он нагревается и излучает рентгеновские лучи, которые, в свою очередь, отражаются, когда они взаимодействуют с соседним газом. Эти области пространства сильно искажены и искривлены из-за чрезвычайно сильной гравитации черной дыры.

Теперь исследователи использовали рентгеновскую обсерваторию XMM-Newton Европейского космического агентства для отслеживания этих световых эхо-сигналов и картирования окрестностей черной дыры в ядре активной галактики.

Названная IRAS 13224–3809, галактика-хозяин черной дыры является одним из самых изменчивых источников рентгеновского излучения в небе, претерпевая очень большие и быстрые колебания яркости в 50 раз за несколько часов.

«Каждый знаком с тем, как эхо их голоса звучит по-разному при разговоре в аудитории по сравнению с собором — это просто из-за геометрии и материалов комнат, из-за которых звук ведет себя по-разному и отскакивает», — сказал Уильям Альстон из Кембриджского института астрономии, ведущий автор нового исследования.

«Аналогичным образом мы можем наблюдать, как эхо-сигналы рентгеновского излучения распространяются в окрестностях черной дыры, чтобы наметить геометрию области и состояние скопления вещества, прежде чем оно исчезнет в сингулярности.»

Поскольку динамика падающего газа тесно связана со свойствами потребляющей черной дыры, ученые также смогли определить массу и вращение центральной черной дыры галактики, наблюдая свойства вещества, которое движется по спирали внутрь.

Материал образует диск, когда он падает в черную дыру. Над этим диском находится область горячих электронов с температурой около миллиарда градусов, называемая короной. Хотя ученые ожидали увидеть отголоски реверберации, которые они использовали для картирования геометрии региона, они также заметили нечто неожиданное: сама корона изменилась в размерах быстро, всего за несколько дней.

«Отслеживая световое эхо, мы смогли отследить эту изменяющуюся корону и — что еще более интересно — получить гораздо лучшие значения для массы и вращения черной дыры, чем мы могли бы определить, если бы корона не менялась в размерах. Мы знаем, масса черной дыры не может колебаться, поэтому любые изменения в эхосигнале должны быть связаны с газовой средой».

В исследовании использовалось самое долгое наблюдение за аккрецирующей черной дырой, когда-либо полученное с помощью XMM-Newton, которое было получено в 2011 и 2016 годах и в общей сложности составляет 2 миллиона секунд — чуть более 23 дней.

Это, в сочетании с сильной и кратковременной изменчивостью самой черной дыры, позволило ученым всесторонне смоделировать эхо-сигналы в течение дня.

Область, исследуемая в этой работе, не доступна для обсерваторий, таких как телескоп «Горизонт событий», которому удалось сделать первый в истории снимок газа в непосредственной близости от черной дыры — той, которая находится в центре массивной галактики M87.

Результат, основанный на наблюдениях, проведенных с помощью радиотелескопов по всему миру в 2017 году и опубликованных в прошлом году, стал научной сенсацией.

«Изображение телескопа горизонта событий было получено с использованием метода, известного как интерферометрия — метод, который может работать только на нескольких ближайших к Земле сверхмассивных черных дырах, таких как те, что в M87 и в нашей родной галактике Млечный путь, потому что их видимый размер на небе достаточно большого размера, чтобы метод мог сработать», — говорят ученые.

«Напротив, наш подход способен исследовать ближайшие несколько сотен сверхмассивных черных дыр, которые активно потребляют материю, и это число значительно увеличится с запуском миссии Афина».

Характеризация окружающей среды, окружающей черные дыры, является основной научной целью миссии ESA Афина, которую планируется запустить в начале 2030-х годов и которая раскроет многие секреты Вселенной.

Измерение массы, скорости вращения и аккреции большой выборки черных дыр является ключом к пониманию гравитации во всем космосе. Кроме того, поскольку сверхмассивные черные дыры тесно связаны со свойствами принимающей их галактики, эти исследования также являются ключом к углублению наших знаний о том, как галактики образуются и развиваются с течением времени.