Впервые получен четкий рентгеновский портрет сверхмассивной черной дыры

Современная рентгеновская спектроскопия впервые позволила получить максимально четкое на сегодняшний день представление о том, что происходит вблизи быстро вращающейся сверхмассивной черной дыры. Речь идет не о фотографии в привычном смысле, а о высокоточной расшифровке рентгеновского излучения, испускаемого веществом у самой границы горизонта событий. Результаты наблюдений опубликованы в журнале Astrophysical Journal.

Цель наблюдений — галактика MCG–6-30-15

Объектом исследования стала сейфертовская галактика типа 1 MCG–6-30-15 с ярким активным ядром, расположенная примерно в 120 миллионах световых лет от Земли. В ее центре находится сверхмассивная черная дыра массой около двух миллионов масс Солнца. Этот объект давно известен астрономам из-за необычно изменчивого рентгеновского излучения, однако до недавнего времени его природу не удавалось разобрать по деталям.

Новые возможности миссии XRISM

Ключевую роль сыграла миссия XRISM — совместный проект JAXA и NASA, запущенный 7 сентября 2023 года. Аппарат оснащен спектрометром Resolve, способным различать мельчайшие особенности рентгеновского спектра. В сочетании с данными телескопов XMM-Newton Европейского космического агентства и NuSTAR, XRISM обеспечил рекордную точность измерений.

Благодаря этому исследовательская группа под руководством Лауры Бреннеман из Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики смогла четко отделить излучение, возникающее непосредственно у черной дыры, от сигналов более удаленных газовых облаков.

Что показал спектр

В рентгеновском спектре была обнаружена сильно искаженная линия излучения железа. Подобные искажения возникают из-за экстремальной гравитации и быстрого вращения вещества в аккреционном диске. Как объясняют ученые, это похоже на то, как звук сирены меняется из-за эффекта Доплера, только в роли «движущегося источника» выступает раскаленный газ, вращающийся почти со скоростью света.

Исследование показало, что отраженное рентгеновское излучение вблизи горизонта событий примерно в 50 раз интенсивнее, чем в более удаленных областях. Это убедительно указывает на то, что основная часть рентгеновского сигнала формируется в непосредственной близости от черной дыры, а не в потоках вещества, покидающих галактику.

Почему важен спин черной дыры

Как подчеркивает Бреннеман, у астрофизических черных дыр есть всего два фундаментальных параметра — масса и спин. Массу можно оценить разными методами, а вот измерение вращения требует наблюдений газа у самой границы горизонта событий.

«Мы можем оценить их массы несколькими различными способами, но измерение их спина гораздо сложнее и требует сбора данных от газа, вращающегося вокруг черной дыры непосредственно за горизонтом событий», — объясняет она.

Наблюдения также пролили свет на корону черной дыры — область с температурой порядка миллиарда градусов, расположенную над и под аккреционным диском. Именно она отвечает за большую часть рентгеновского излучения, и ее свойства долгое время оставались плохо понятными.

Ветры и эволюция галактик

Дополнительно исследователи выявили по меньшей мере пять различных зон мощных ветров, возникающих из-за аккреции вещества на черную дыру. Эти потоки могут либо подпитывать рост галактики, либо, наоборот, подавлять образование новых звезд.

«Понимание этих ветров в дополнение к вращению черной дыры важно, поскольку они могут рассказать нам о том, как галактики растут и эволюционируют», — отмечает Бреннеман.

Результаты показывают, как XRISM позволяет не только уточнять прежние оценки, но и фактически заглядывать в самые экстремальные области Вселенной, где законы физики проявляются в своей предельной форме.