Астрономи вперше дослідили фізичне середовище рентгенівських спалахів біля чорних дір

Астрономи досягли значного прориву в дослідженні загадкових космічних явищ, вперше детально вивчивши фізичне середовище повторюваних рентгенівських спалахів поблизу надмасивних чорних дір. Це стало можливим завдяки даним, отриманим за допомогою телескопа NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) NASA та інших космічних обсерваторій.

Науковці нещодавно виявили новий клас рентгенівських спалахів, які назвали QPE (quasi-periodic eruptions) — квазіперіодичні виверження. Особливу увагу привернула система, яку астрономи неофіційно назвали Ansky. Вона стала восьмим відомим джерелом QPE і відзначається найпотужнішими спалахами серед усіх спостережених досі. Система Ansky встановила рекорди за часовими параметрами: виверження відбуваються приблизно кожні 4,5 дні і тривають близько 1,5 доби.

«QPE — це загадкові та надзвичайно цікаві явища,» — зазначає Джохін Чакраборті, аспірант Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі. «Одним з найінтригуючих аспектів є їхня квазіперіодична природа. Ми все ще розробляємо методології та системи, необхідні для розуміння причин QPE, і незвичайні властивості Ansky допомагають нам удосконалювати ці інструменти.»

Система Ansky отримала свою назву від позначення ZTF19acnskyy — спалаху видимого світла, зафіксованого у 2019 році. Вона розташована в галактиці на відстані близько 300 мільйонів світлових років у сузір'ї Діви. Цей спалах став першою ознакою того, що відбувається щось незвичайне.

Згідно з провідною теорією, QPE виникають у системах, де об'єкт відносно малої маси проходить крізь диск газу, що оточує надмасивну чорну діру, маса якої в сотні тисяч чи мільярди разів перевищує масу Сонця. Коли об'єкт меншої маси пробиває диск, його проходження викидає хмари розжареного газу, які ми спостерігаємо як QPE в рентгенівському діапазоні.

Науковці вважають, що квазіперіодичність виверження виникає через те, що орбіта меншого об'єкта не є ідеально круговою і поступово наближається до чорної діри. Крім того, надпотужна гравітація поблизу чорної діри викривляє простір-час, змінюючи орбіти так, що вони не замикаються після кожного циклу. За сучасними уявленнями, виверження повторюються доти, доки не зникне диск або не зруйнується об'єкт на орбіті, що може тривати до кількох років.

Лорена Ернандес-Гарсія, астрофізик з Чилійського університету Вальпараїсо, пояснює: «Екстремальні властивості Ansky можуть бути зумовлені природою диска навколо її надмасивної чорної діри. У більшості систем QPE надмасивна чорна діра, ймовірно, розриває зорю, що пролітає поблизу, створюючи невеликий диск дуже близько до себе. У випадку Ansky ми вважаємо, що диск значно більший і може взаємодіяти з об'єктами на більших відстанях, що створює триваліші часові масштаби, які ми спостерігаємо.»

Завдяки розташуванню телескопа NICER на Міжнародній космічній станції вдалося спостерігати за Ansky приблизно 16 разів на добу з травня по липень 2024 року. Така частота спостережень була критично важливою для виявлення рентгенівських коливань, які показали, що Ansky продукує QPE.

Команда Чакраборті використала дані NICER та XMM-Newton для детального картографування швидкої еволюції викинутої речовини, що спричиняє спостережувані QPE. Вони вивчали зміни інтенсивності рентгенівського випромінювання під час наростання та спадання кожного виверження. Дослідники встановили, що кожен удар призводив до викиду маси, приблизно рівної масі Юпітера, зі швидкістю розширення близько 15% від швидкості світла.

Можливості телескопа NICER щодо частих спостережень за Ansky з космічної станції та його унікальні вимірювальні характеристики також дозволили команді виміряти розмір і температуру майже сферичної бульбашки уламків під час її розширення.

Спостережні дослідження QPE, подібні до роботи Чакраборті, відіграватимуть ключову роль у підготовці наукової спільноти до нової ери багатоканальної астрономії, яка поєднує вимірювання за допомогою світла, елементарних частинок та гравітаційних хвиль для кращого розуміння об'єктів і подій у Всесвіті.

«Ми продовжуватимемо спостерігати за Ansky так довго, як зможемо,» — говорить Чакраборті. «Ми все ще перебуваємо на початковому етапі розуміння QPE. Це надзвичайно захопливий час, адже нам ще так багато належить дізнатися.»