Впервые астрономы изучили физическую среду повторяющихся рентгеновских вспышек вблизи гигантских чёрных дыр благодаря данным, полученным в ходе миссии NICER (Neutron star Interior Composition

Ученые лишь недавно столкнулись с этим классом рентгеновских вспышек, называемых QPE, или квазипериодическими вспышками. Система, которую астрономы назвали Ansky, является восьмым обнаруженным источником QPE и производит самые мощные вспышки из всех, что были зафиксированы на сегодняшний день. Ansky также устанавливает рекорды по времени и продолжительности: вспышки происходят примерно каждые 4,5 дня и длятся около 1,5 дня.

«Эти QPE — загадочные и чрезвычайно интересные явления, — сказал Джохин Чакраборти, аспирант Массачусетского технологического института в Кембридже. — Один из самых интригующих аспектов — их квазипериодическая природа. Мы всё ещё разрабатываем методологии и концепции, необходимые для понимания причин QPE, и необычные свойства Ansky помогают нам совершенствовать эти инструменты».

Название «Ansky» происходит от ZTF19acnskyy — так в 2019 году назвали вспышку видимого света. Она произошла в галактике на расстоянии около 300 миллионов световых лет в созвездии Девы. Это событие стало первым признаком того, что может происходить что-то необычное.

Согласно ведущей теории, QPE возникают в системах, где относительно маломассивный объект проходит через газовый диск, окружающий сверхмассивную чёрную дыру, масса которой в сотни тысяч или миллиарды раз превышает массу Солнца.

Когда объект с меньшей массой пробивает диск, его прохождение вызывает расширение облаков горячего газа, которые мы наблюдаем в виде QPE в рентгеновском диапазоне.

По мнению учёных, квазипериодичность вспышек возникает из-за того, что орбита меньшего объекта не является идеально круглой и со временем приближается по спирали к чёрной дыре. Кроме того, сильная гравитация вблизи чёрной дыры искривляет пространство-время, изменяя орбиты объектов таким образом, что они не замыкаются сами на себя с каждым циклом. Согласно современным представлениям учёных, всплески повторяются до тех пор, пока диск не исчезнет или вращающийся объект не распадётся, что может занять до нескольких лет.

«Экстремальные свойства Ansky могут быть обусловлены природой диска вокруг её сверхмассивной чёрной дыры», — сказала Лорена Эрнандес-Гарсия, астрофизик из Millennium Nucleus по трансверсальным исследованиям и технологиям для изучения сверхмассивных чёрных дыр, Института астрофизики Millennium и Университета Вальпараисо в Чили. «В большинстве систем QPE сверхмассивная чёрная дыра, вероятно, поглощает проходящую мимо звезду, создавая небольшой диск очень близко к себе. В случае с Ansky мы считаем, что диск намного больше и может включать в себя более удалённые объекты, что приводит к более длительным временным интервалам, которые мы наблюдаем».

Эрнандес-Гарсия, помимо того, что был соавтором статьи Чакраборти, руководил исследованием, в результате которого был обнаружен QPE Ansky, которое было опубликовано в апреле и использовало данные NICER, обсерватории Нила Герелза Swift НАСА и рентгеновской обсерватории Чандра, а также космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства (ESA).

Расположение NICER на Международной космической станции позволило ему наблюдать за Ansky примерно 16 раз в день с мая по июль 2024 года. Частота наблюдений сыграла решающую роль в обнаружении рентгеновских колебаний, которые показали, что Ansky производит QPE.

Команда Чакраборти использовала данные NICER и XMM-Newton, чтобы составить беспрецедентно подробную карту быстрого изменения выброшенного материала, вызвавшего наблюдаемые QPE, изучая изменения интенсивности рентгеновского излучения во время подъёма и спада каждой вспышки.

Исследователи обнаружили, что при каждом столкновении масса, равная массе Юпитера, достигала скорости расширения около 15% от скорости света.

Благодаря тому, что телескоп NICER может часто наблюдать за Ansky с космической станции, а также своим уникальным измерительным возможностям, команда смогла измерить размер и температуру примерно сферического облака обломков по мере его расширения.

«Все наблюдения NICER в Ansky, использованные в этих статьях, были сделаны после того, как в мае 2023 года в приборе произошла «утечка света», — сказал Завен Арзуманян, руководитель научной миссии в Центре космических полётов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Несмотря на то, что утечка — которая была устранена в январе — повлияла на стратегию наблюдений телескопа, NICER всё равно смог внести важный вклад в астрономию временной области, или изучение изменений в космосе в масштабах времени, которые мы можем наблюдать».

После ремонта NICER продолжил наблюдать за Ansky, чтобы изучить, как со временем менялись вспышки. Статья об этих результатах, написанная под руководством Эрнандеса-Гарсии и в соавторстве с Чакраборти, находится на рассмотрении.

Наблюдательные исследования QPE, подобные исследованиям Чакраборти, также сыграют ключевую роль в подготовке научного сообщества к новой эре мультисенсорной астрономии, которая объединяет измерения с использованием света, элементарных частиц и колебаний пространства-времени, называемых гравитационными волнами, для лучшего понимания объектов и событий во Вселенной.

Одна из целей будущей миссии ESA LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), в которой NASA является партнёром, — изучение экстремальных систем с малым отношением масс, то есть систем, в которых объект с малой массой вращается вокруг гораздо более массивного объекта, как в случае с Ansky. Такие системы должны излучать гравитационные волны, которые невозможно наблюдать с помощью современных устройств. Электромагнитные исследования QPE помогут улучшить модели этих систем перед ожидаемым запуском LISA в середине 2030-х годов.

«Мы будем продолжать наблюдать за Ansky так долго, как только сможем, — сказал Чакраборти. — Мы всё ещё находимся на начальном этапе изучения QPE. Это такое захватывающее время, потому что нам ещё столькому нужно научиться».

Источник: Центр космических полётов Годдарда НАСА

На изображении:

Система, которую астрономы называют Ansky, в галактике в центре этого изображения, является местом недавно обнаруженной серии квазипериодических вспышек.