Теперь астрономы из Массачусетского технологического института и других организаций обнаружили «эхо» в этой вспышке рентгеновского излучения, которое, по их мнению, может быть ключом к разгадке того, как черные дыры развиваются во время вспышки. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, команда сообщает о доказательствах того, что по мере того, как черная дыра потребляет огромное количество звездного материала, ее корона – гало высокоэнергетических электронов, окружающее черную дыру, – значительно сужается по сравнению с первоначальным. протяженность от примерно 100 километров (примерно ширина Массачусетса) до всего лишь 10 километров, всего за месяц.
Полученные данные являются первым доказательством того, что корона сжимается по мере того, как черная дыра питается или срастается. Результаты также предполагают, что именно корона движет эволюцией черной дыры во время самой экстремальной фазы ее вспышки.
«Мы впервые видим доказательства того, что корона сокращается во время данной фазы эволюции вспышки», – говорит Джек Штайнер, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. "Корона по-прежнему довольно загадочна, и мы до сих пор плохо понимаем, что это такое. Но теперь у нас есть доказательства того, что в системе развивается структура самой короны."
Соавторы Штайнера из Массачусетского технологического института включают Рональда Ремилларда и первого автора Эрин Кара.
Рентгеновские эхо
Черная дыра, обнаруженная 11 марта, получила название MAXI J1820 + 070, в честь прибора, который ее обнаружил.
Миссия "Монитор рентгеновского изображения всего неба" (MAXI) – это набор детекторов рентгеновского излучения, установленных в японском экспериментальном модуле Международной космической станции (МКС), который контролирует все небо на предмет вспышек и вспышек рентгеновского излучения.
Вскоре после того, как инструмент зафиксировал вспышку черной дыры, Штайнер и его коллеги начали наблюдать за событием с помощью NICER, другого прибора на борту МКС, который был частично разработан Массачусетским технологическим институтом для измерения количества и времени появления нейтронных звезд. входящие рентгеновские фотоны.
«Эта стремительно яркая черная дыра появилась на сцене, и она была почти полностью незатемненной, поэтому мы получили очень четкое представление о том, что происходило», – говорит Штайнер.
Типичная вспышка может произойти, когда черная дыра высасывает огромное количество материала из ближайшей звезды. Этот материал накапливается вокруг черной дыры в закрученном вихре, известном как аккреционный диск, который может охватывать миллионы миль в поперечнике. Материал в диске, который находится ближе к центру черной дыры, вращается быстрее, создавая трение, которое нагревает диск.
«Температура газа в центре составляет миллионы градусов», – говорит Штайнер. "Когда вы нагреваете что-то настолько горячее, оно светится как рентгеновские лучи. Этот диск может выдержать лавины и пролить свой газ на центральную черную дыру со скоростью, равной примерно Эвересту, газу в секунду. И вот тогда начинается вспышка, которая обычно длится около года."
Ученые ранее наблюдали, что рентгеновские фотоны, испускаемые аккреционным диском, могут отбрасывать высокоэнергетические электроны в короне черной дыры. Штайнер говорит, что некоторые из этих фотонов могут рассеиваться «до бесконечности», в то время как другие рассеиваются обратно на аккреционный диск в виде рентгеновских лучей более высоких энергий.
Используя NICER, команда смогла собрать чрезвычайно точные измерения как энергии, так и времени рентгеновских фотонов во время вспышки черной дыры.
Что особенно важно, они уловили «эхо» или запаздывание между фотонами низкой энергии (те, которые, возможно, изначально были испущены аккреционным диском) и фотонами высокой энергии (рентгеновские лучи, которые, вероятно, взаимодействовали с электронами короны). В течение месяца исследователи заметили, что длина этих лагов значительно уменьшилась, что указывает на сокращение расстояния между короной и аккреционным диском. Но был ли это диск или корона, которая смещалась в?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи измерили сигнатуру, известную астрономам как «линия железа» – свойство, которое излучается атомами железа в аккреционном диске, только когда они находятся под напряжением, например, при отражении рентгеновских фотонов от электроны короны. Таким образом, железо может измерять внутреннюю границу аккреционного диска.
Когда исследователи измерили линию железа на протяжении всей вспышки, они не обнаружили заметных изменений, предполагая, что сам диск не менял форму, а оставался относительно стабильным. Вместе с доказательствами уменьшения отставания в рентгеновском диапазоне они пришли к выводу, что, должно быть, корона изменялась и сжималась в результате вспышки черной дыры.
«Мы видим, что корона начинается с этой раздутой 100-километровой капли внутри внутреннего аккреционного диска, а затем сжимается примерно до 10 километров примерно за месяц», – говорит Штайнер. «Это первый однозначный случай сжатия короны при стабильном диске."
«NICER позволил нам измерить световое эхо ближе к черной дыре звездной массы, чем когда-либо прежде», – добавляет Кара. «Раньше это световое эхо от внутреннего аккреционного диска было видно только в сверхмассивных черных дырах, масса которых составляет от миллионов до миллиардов солнечных масс и которые эволюционируют в течение миллионов лет.
Звездные черные дыры, такие как J1820, имеют гораздо меньшую массу и развиваются намного быстрее, поэтому мы можем видеть изменения, происходящие в человеческих временных масштабах."
Хотя неясно, что именно вызывает сжатие короны, Штайнер предполагает, что облако высокоэнергетических электронов сжимается подавляющим давлением, создаваемым падающей лавиной газа в аккреционный диск.
Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на важную фазу вспышки черной дыры, известную как переход от твердого состояния к мягкому. Ученым известно, что в какой-то момент в начале вспышки черная дыра переходит из «жесткой» фазы, в которой преобладает энергия короны, в «мягкую» фазу, в которой в большей степени правят выбросы аккреционного диска.
«Этот переход знаменует фундаментальное изменение режима аккреции черной дыры», – говорит Штайнер. "Но мы точно не знаем, что происходит. Как черная дыра переходит от короны к ее диску? Диск движется внутрь и берет верх, или корона каким-то образом изменяется и рассеивается? Это то, что люди пытались разгадать на протяжении десятилетий."
Это исследование частично поддерживается НАСА через миссию NICER и Программу исследователей астрофизики.