Телескоп IXPE раскрывает формы структур в недавно обнаруженной черной дыре
Космическая обсерватория NASA IXPE ( Imaging X-ray Polarimetry Explorer ) помогает астрономам лучше понять формы структур, характерных для черной дыры, в частности, диск вращающегося вокруг нее материала и перемещающуюся область плазмы, называемую короной.
Черная дыра звездной массы, часть двойной системы Swift J1727.8-1613, была обнаружена летом 2023 года во время необычного события осветления, которое на короткое время заставило ее затмить почти все другие рентгеновские источники. Это первый в своем роде объект, наблюдаемый IXPE, поскольку он проходит через начало, пик и завершение рентгеновской вспышки, как на изображении ниже.
Swift J1727 является предметом серии новых исследований, опубликованных в The Astrophysical Journal и Astronomy & Astrophysics. Ученые говорят, что результаты дают новое представление о поведении и эволюции рентгеновских двойных систем c черными дырами.
«Этот всплеск развивался невероятно быстро», — сказала астрофизик Александра Веледина, научный сотрудник Университета Турку, Финляндия. «С момента нашего первого обнаружения всплеска Swift J1727 ему потребовалось всего несколько дней, чтобы достичь пика. К тому времени IXPE и многочисленные другие телескопы и инструменты уже собирали данные. Было волнительно наблюдать за всплеском вплоть до его возвращения к неактивности».
До конца 2023 года Swift J1727 недолгое время оставался ярче Крабовидной туманности, стандартной рентгеновской «свечи», используемой для обеспечения базовой линии для единиц рентгеновской яркости.
Такие вспышки не являются чем-то необычным среди двойных систем, но редко они происходят так ярко и так близко — всего в 8800 световых годах от Земли. Двойная система была названа в честь миссии Swift Gamma-ray Burst Mission, которая первоначально обнаружила вспышку с помощью своего телескопа Burst Alert 24 августа 2023 года, что привело к открытию черной дыры.
Рентгеновские двойные системы обычно включают две близко расположенные звезды на разных стадиях своего жизненного цикла. Когда у старшей звезды заканчивается топливо, она взрывается в виде сверхновой, оставляя после себя нейтронную звезду, белый карлик или черную дыру.
В случае Swift J1727 мощная гравитация образовавшейся черной дыры отделила материал от ее звезды-компаньона, нагрев материал до более чем миллиона градусов и вызвав обширный выброс рентгеновских лучей. Эта материя образовала аккреционный диск и может включать перегретую корону. На полюсах черной дыры материя также может выходить из двойной системы в виде релятивистских струй.
Космический телескоп IXPE, который помог изучить все эти явления, специализируется на поляризации рентгеновского излучения — характеристике света, которая помогает отображать форму и структуру таких сверхмощных источников энергии, освещая их внутреннюю работу, даже если они слишком далеки для нашего непосредственного наблюдения.
«Поскольку сам свет не может избежать их гравитации, мы не можем видеть черные дыры», — говорят ученые. «Мы можем только наблюдать за тем, что происходит вокруг них, и делать выводы о механизмах и процессах, которые там происходят. IXPE имеет решающее значение для этой работы».
Два исследования Swift J1727 на основе IXPE, были сосредоточены на первых фазах вспышки. В течение короткого периода, когда источник стал исключительно ярким, корона была основным источником наблюдаемого рентгеновского излучения.
Команда ученых далее отслеживала, как значения поляризации менялись во время пиковой вспышки Swift J1727. Эти выводы совпадали с результатами, полученными одновременно в ходе исследований других энергетических диапазонов электромагнитного излучения.
Третье и четвертое исследование были сосредоточены на поляризации рентгеновского излучения во второй части вспышки Swift J1727 и его возвращении в высокоэнергетическое состояние несколько месяцев спустя.
Данные поляризации показали, что геометрия короны существенно не изменилась между началом и концом вспышки, хотя система тем временем эволюционировала, и яркость рентгеновского излучения резко упала в более позднем энергетическом состоянии.
Результаты представляют собой значительный шаг вперед в понимании изменяющихся форм и структур аккреционного диска, короны и связанных с ними структур в черных дырах в целом. Исследование также демонстрирует ценность IXPE как инструмента для определения того, как связаны все эти элементы системы, а также его потенциал для сотрудничества с другими обсерваториями для мониторинга внезапных, драматических изменений в космосе.