Результаты исследования будут представлены 9 января 2019 года на пресс-конференции на 233-м заседании Американского астрономического общества в Сиэтле, штат Вашингтон. Научная статья также будет опубликована в журнале Nature 10 января 2019 г.
Используя полезную нагрузку NASA Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) на борту Международной космической станции, команда обнаружила рентгеновский свет от недавно обнаруженной черной дыры под названием MAXI J1820 + 070 (для краткости J1820), поскольку он потреблял материал от звезды-компаньона. Волны рентгеновских лучей формировали "световое эхо", которое отражалось от закрученного газа около черной дыры и выявляло изменения в размере и форме окружающей среды.
«NICER позволил нам измерить световое эхо ближе к черной дыре звездной массы, чем когда-либо прежде», – сказал Кара, ведущий автор исследовательской работы, который также является научным сотрудником Хаббла и одновременно работал в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. и Объединенный институт космических наук. «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 медленно претерпевают изменения.
Звездные черные дыры, такие как J1820, имеют гораздо меньшую массу и развиваются намного быстрее, поэтому мы можем видеть изменения, происходящие в человеческих временных масштабах."
J1820 находится примерно в 10 000 световых лет от Земли, в направлении созвездия Льва. Звезда-компаньон черной дыры была идентифицирована в ходе исследования миссии Gaia Европейского космического агентства (ESA), которое позволило исследователям оценить ее расстояние от Земли.
Астрономы не знали о присутствии черной дыры до 11 марта 2018 года, когда на борту космической станции Монитор рентгеновского изображения всего неба (MAXI) Японского аэрокосмического и исследовательского агентства заметил вспышку.
Всего за несколько дней J1820 превратился из совершенно неизвестной черной дыры в один из самых ярких источников в рентгеновском небе. NICER быстро продвинулся, чтобы запечатлеть этот драматический переход, и продолжает следить за затухающим хвостом извержения.
«NICER был разработан, чтобы быть достаточно чувствительным, чтобы изучать слабые, невероятно плотные объекты, называемые нейтронными звездами», – сказал Завен Арзуманян, научный руководитель NICER и астрофизик из НАСА Годдард. "Мы рады, насколько полезен он также при изучении этих очень ярких в рентгеновских лучах черных дыр звездных масс."
Черная дыра может перекачивать газ из соседней звезды-компаньона в кольцо материала, называемое аккреционным диском. Гравитационные и магнитные силы нагревают диск до миллионов градусов Цельсия, делая его достаточно горячим, чтобы производить рентгеновские лучи во внутренних частях диска, рядом с черной дырой. Вспышки возникают, когда из-за нестабильности диска поток газа внезапно устремляется внутрь к черной дыре, как газовая лавина. Астрономы еще не понимают, что вызывает эти дисковые нестабильности.
Над диском находится корона, область субатомных частиц, нагретых до 1 миллиарда градусов Цельсия, которая светится в рентгеновских лучах более высоких энергий. Остается много загадок о происхождении и эволюции короны черной дыры. Некоторые теории предполагают, что структура может представлять собой раннюю форму высокоскоростных струйных частиц, которые эти типы систем часто испускают.
Астрофизики хотят лучше понять, как внутренний край аккреционного диска черной дыры – и корона над ним – изменяются в размере и форме, когда черная дыра потребляет материал от звезды-компаньона.
Если ученые смогут понять, как и почему эти изменения происходят в черных дырах звездной массы в течение нескольких недель, они смогут по-новому взглянуть 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 таких изменений, называется картированием реверберации рентгеновских лучей, в котором отражения рентгеновских лучей используются почти так же, как сонар использует звуковые волны для картирования подводной местности.
Некоторые рентгеновские лучи от короны летят прямо к нам, в то время как другие освещают диск и отражаются обратно с разными энергиями и углами.
Рентгеновское отображение реверберации сверхмассивных черных дыр показало, что внутренний край аккреционного диска очень близок к горизонту событий черной дыры – точке, за пределы которой не может ускользнуть ни материя, ни энергия.
Корона также компактна и расположена ближе к черной дыре, чем над большей частью аккреционного диска.
Предыдущие наблюдения рентгеновских эхосигналов от черных дыр звездных масс показали, что внутренний край аккреционного диска может быть довольно далеким – в сотни раз больше горизонта событий.
Однако J1820 больше походил на своих сверхмассивных собратьев.
Изучая наблюдения J1820, сделанные NICER, команда Кары увидела уменьшение задержки или времени задержки между начальной вспышкой рентгеновских лучей, исходящих непосредственно от короны, и эхом от вспышки от диска.
Это указывало на то, что рентгеновские лучи проходили все более и более короткие расстояния, прежде чем отражались. Исследователи подсчитали, что с расстояния 10000 световых лет корона вертикально сузилась с примерно 100 миль до примерно 10 миль. Чтобы представить это в перспективе, это было бы похоже на то, как если бы что-то размером с чернику уменьшилось до размера макового семени с расстояния между Землей и Плутоном.
«Это первый раз, когда мы видим такого рода доказательства того, что корона сокращается во время этой конкретной фазы эволюции вспышки», – сказал соавтор Джек Штайнер, астрофизик из Института астрофизики и космоса Кавли Массачусетского технологического института. Исследования в Кембридже. "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."
Чтобы подтвердить, что уменьшение времени задержки произошло из-за изменения короны, а не аккреционного диска, исследователи использовали сигнал, называемый K-линией железа, который создается, когда рентгеновские лучи от короны сталкиваются с атомами железа в диске. , заставляя их флуоресцировать.
Согласно теории относительности Эйнштейна, время течет медленнее в сильных гравитационных полях и при высоких скоростях.
Когда атомы железа, ближайшие к черной дыре, бомбардируются светом из ядра короны, длины волн испускаемых ими рентгеновских лучей растягиваются, потому что время для них движется медленнее, чем для наблюдателя.
Команда Кары обнаружила, что растянутая железная K-линия J1820 осталась постоянной, что означает, что внутренний край диска оставался близко к черной дыре – подобно сверхмассивной черной дыре.
Если бы уменьшение времени задержки было вызвано тем, что внутренний край диска двигался еще дальше внутрь, тогда линия K железа стала бы еще более растянутой.
Эти наблюдения дают ученым новое понимание того, как материал проникает в черную дыру и как в этом процессе выделяется энергия.
«Наблюдения NICER за J1820 научили нас чему-то новому о черных дырах звездных масс и о том, как мы можем использовать их в качестве аналогов для изучения сверхмассивных черных дыр и их влияния на формирование галактик», – сказал соавтор Филип Аттли, астрофизик из Университета.
Амстердама. "Мы видели четыре подобных мероприятия за первый год работы NICER, и это примечательно. Такое ощущение, что мы находимся на пороге огромного прорыва в рентгеновской астрономии."