NICER наблюдает «рентгеновское эхо» черной дыры

Астрофизики, использующие Исследователь Внутреннего Состава Нейтронных Звезд на МКС (NICER, Neutron Star Interior Composition Explorer), обнаружили рентгеновские лучи от черной дыры MAXI J1820 + 070, поскольку она потребляла материал от звезды-компаньона; волны рентгеновского излучения сформировали «световое эхо», которое отражалось от закрученного газа возле черной дыры и показывало изменения в размерах и форме среды черной дыры.

Черная дыра может перекачивать газ из соседней звезды-компаньона в кольцо материала, называемое аккреционным диском.

Гравитационные и магнитные силы нагревают диск до миллионов градусов, делая его достаточно горячим, чтобы производить рентгеновское излучение во внутренних частях диска, около черной дыры.

Вспышки происходят, когда нестабильность в диске приводит к движению потока газа внутрь, к черной дыре, подобно лавине. Причины нестабильности диска до сих пор плохо изучены.

Над диском находится корона, область субатомных частиц с температурой около 1 миллиарда градусов по Цельсию, которая светится в рентгеновских лучах с более высокой энергией.

О происхождении и эволюции короны можно только догадываться. Некоторые теории предполагают, что структура может представлять собой раннюю форму высокоскоростных струй частиц, которые эти типы систем часто испускают.

Астрофизики хотят лучше понять, как внутренний край аккреционного диска и корона над ним меняются по размеру и форме, когда черная дыра аккрецирует материал от звезды-компаньона. Если они смогут понять, как и почему эти изменения происходят в черных дырах звездной массы в течение нескольких недель, ученые могли бы пролить свет на то, как сверхмассивные черные дыры развиваются в течение миллионов лет и как они влияют на галактики, в которых они находятся.

Один метод, используемый для картирования этих изменений, называется картированием реверберации рентгеновских лучей, в котором рентгеновские отражения используются почти так же, как сонар использует звуковые волны для картирования подводного ландшафта.

Некоторые рентгеновские лучи от короны движутся прямо к нам, в то время как другие освещают диск и отражаются назад с разными энергиями и под разными углами.

Рентгеновское реверберационное картирование сверхмассивных черных дыр показало, что внутренний край аккреционного диска находится очень близко к горизонту событий, точке невозврата. Корона также компактна, расположена ближе к черной дыре, а не над большей частью аккреционного диска.

Предыдущие наблюдения рентгеновского эха от черных дыр, однако, предполагали, что внутренний край аккреционного диска может быть довольно далеко, вплоть до сотен размеров горизонта событий.

Но черная дыра звездной массы MAXI J1820 + 070, расположенная на расстоянии около 10 000 световых лет от созвездия Льва, вела себя как ее сверхмассивные собратья.

«NICER был спроектирован так, чтобы быть достаточно чувствительным для изучения слабых, невероятно плотных объектов, называемых нейтронными звездами», — сказал доктор Завен Арзуманян, ведущий научный сотрудник NICER в Центре космических полетов имени Годдарда, НАСА. «Мы довольны тем, насколько полезно он оказался при изучении этих очень ярких рентгеновских лучей черных дыр звездной массы».

Когда ученые изучали  наблюдения NICER над этой черной дырой, они увидели уменьшение задержки или времени задержки между начальной вспышкой рентгеновских лучей, исходящих непосредственно от короны, и отражением вспышки от диска, что указывает на то, что рентгеновские лучи проходили все меньшее и меньшее расстояние, прежде чем отражались.

По оценкам ученых, на расстоянии 10 000 световых лет корона сократилась по вертикали примерно от 150 км до 15 км.

«Это в первый раз, когда мы видим свидетельства того, что корона сокращается во время конкретной фазы эволюции вспышки», — сказал Джек Штейнер, астрофизик из Института астрофизики и космических исследований им. М.В. Кавли при Массачусетском технологическом институте. «Корона все еще довольно таинственна, и мы до сих пор плохо понимаем, что это такое. Но теперь у нас есть доказательства того, что в системе развивается сама структура короны».

«Наблюдения NICER о MAXI J1820 + 070 научили нас чему-то новому в отношении черных дыр звездной массы и о том, как мы можем использовать их в качестве аналогов для изучения сверхмассивных черных дыр и их влияния на формирование галактики», — сказал доктор Филип Аттли, астрофизик из Университет Амстердама.

«Мы видели четыре подобных события в первый год работы NICER, и это замечательно. Такое ощущение, что мы стоим на пороге огромного прорыва в рентгеновской астрономии».

Исследование опубликовано в журнале Nature.

E. Kara et al. 2019. The corona contracts in a black-hole transient. Nature 565: 198-201; doi: 10.1038/s41586-018-0803-x