Впервые астрономы в Массачусетском технологическом институте и в других местах наблюдали, как корона сверхмассивной черной дыры, сверхяркое, миллиард градусное кольцо высокоэнергетических частиц, окружающее горизонт событий черной дыры, была внезапно разрушена.
Причина этой драматической трансформации неясна, хотя исследователи предполагают, что источником катастрофы могла быть звезда, оказавшаяся под действием гравитационного притяжения черной дыры. Подобно камешку, брошенному в коробку передач, звезда могла срикошетить через диск закрученного вещества черной дыры, в результате чего все вокруг, включая высокоэнергетические частицы короны, внезапно рухнуло в черную дыру.
Результатом, как наблюдали астрономы, стало резкое и неожиданное падение яркости черной дыры в 10 000 раз менее чем за год.
«Мы ожидаем, что такие большие изменения яркости должны меняться во времени от многих тысяч до миллионов лет», – говорит Эрин Кара, доцент физики Массачусетского технологического института. "Но в этом объекте мы увидели, что он изменился на 10 000 за год, и он даже изменился в 100 раз за восемь часов, что совершенно неслыханно и действительно ошеломляет."
После исчезновения короны астрономы продолжали наблюдать, как черная дыра начала медленно стягивать материал со своих внешних краев, чтобы преобразовать свой закрученный аккреционный диск, который, в свою очередь, начал раскручивать высокоэнергетические рентгеновские лучи вблизи горизонта событий черной дыры.
Таким образом, всего за несколько месяцев черная дыра смогла создать новую корону, почти вернувшуюся к своей первоначальной светимости.
«Кажется, это первый раз, когда мы видим, как корона сначала исчезает, но затем восстанавливается, и мы наблюдаем это в режиме реального времени», – говорит Кара. "Это будет действительно важно для понимания того, как корона черной дыры нагревается и питается в первую очередь."
Кара и ее соавторы, в том числе ведущий автор Клаудио Риччи из Университета Диего Порталес в Сантьяго, Чили, опубликовали свои выводы сегодня в Astrophysical Journal Letters. Соавторы из Массачусетского технологического института – Рон Ремиллард и Дирадж Пашам.
Шустрая стиральная машина
В марте 2018 года неожиданная вспышка озарила взгляд ASSASN, автоматизированного обзора всего неба для сверхновых, который исследует все ночное небо на предмет активности сверхновых.
В ходе обзора была зафиксирована вспышка от 1ES 1927 + 654, активного ядра галактики, или AGN, который представляет собой тип сверхмассивной черной дыры с яркостью выше нормы в центре галактики. ASSASN заметил, что яркость объекта подскочила примерно в 40 раз от его нормальной светимости.
«Это было AGN, о котором мы вроде как знали, но в нем не было ничего особенного», – говорит Кара. «Затем они заметили, что этот обычный АЯГ внезапно стал ярким, что привлекло наше внимание, и мы начали направлять множество других телескопов с множеством других длин волн, чтобы посмотреть на него."
Команда использовала несколько телескопов для наблюдения черной дыры в рентгеновском, оптическом и ультрафиолетовом диапазонах волн.
Большинство этих телескопов периодически направлялись на черную дыру, например, каждые шесть месяцев записывали наблюдения в течение всего дня. Команда также ежедневно наблюдала за черной дырой с помощью НАСА NICER, гораздо меньшего рентгеновского телескопа, установленного на борту Международной космической станции, с детекторами, разработанными и построенными исследователями из Массачусетского технологического института.
«NICER великолепен, потому что он такой шустрый», – говорит Кара. "Эта маленькая стиральная машина прыгает по МКС и может собирать тонны рентгеновских фотонов.
Каждый день NICER мог бегло взглянуть на это AGN, а затем уйти и заняться чем-нибудь еще."
Благодаря частым наблюдениям исследователи смогли поймать черную дыру, когда ее яркость резко упала практически во всех измеренных ими диапазонах волн, и особенно в диапазоне высокоэнергетических рентгеновских лучей – наблюдение, которое сигнализировало о том, что черная дыра корона полностью и внезапно испарилась.
«После того, как ASSASN пережила эту огромную сумасшедшую вспышку, мы наблюдали, как корона исчезла», – вспоминает Кара. "Это стало необнаружимым, чего мы никогда раньше не видели."
Тряски вспышка
Физики не уверены, что именно вызывает образование короны, но они считают, что это как-то связано с конфигурацией силовых линий магнитного поля, которые проходят через аккреционный диск черной дыры. Во внешних областях вращающегося диска черной дыры из материала силовые линии магнитного поля более или менее имеют прямую конфигурацию.
Ближе к горизонту событий и особенно вблизи горизонта событий материальные круги с большей энергией могут вызвать скручивание и разрыв силовых линий магнитного поля, а затем их повторное соединение. Этот клубок магнитной энергии может раскручивать частицы, вращающиеся близко к черной дыре, до уровня высокоэнергетических рентгеновских лучей, образуя короноподобную корону, которая окружает черную дыру.
Кара и ее коллеги считают, что если бы заблудшая звезда действительно была виновником исчезновения короны, она сначала была бы разорвана гравитационным притяжением черной дыры, разбрасывая звездные обломки по аккреционному диску. Это могло вызвать временную вспышку яркости, зафиксированную системой ASSASN.
Это «приливное нарушение», как астрономы называют такое потрясение, привело бы к тому, что большая часть материала в диске внезапно упала бы в черную дыру. Он также мог вывести из строя силовые линии магнитного поля диска таким образом, чтобы он больше не мог генерировать и поддерживать высокоэнергетическую корону.
Этот последний пункт является потенциально важным для понимания того, как сначала формируются короны. В зависимости от массы черной дыры существует определенный радиус, в пределах которого звезда наверняка будет втягиваться гравитацией черной дыры.
«Это говорит нам о том, что если все действие происходит в пределах радиуса приливного разрушения, это означает, что конфигурация магнитного поля, поддерживающая корону, должна быть в пределах этого радиуса», – говорит Кара. "Это означает, что для любой нормальной короны магнитные поля в пределах этого радиуса являются тем, что отвечает за создание короны."
Исследователи подсчитали, что если звезда действительно была причиной отсутствия короны черной дыры, и если корона должна была сформироваться в сверхмассивной черной дыре аналогичного размера, она бы образовалась в радиусе около 4 световых минут – на расстоянии что примерно соответствует примерно 75 миллионам километров от центра черной дыры.
«С оговоркой, что это событие произошло в результате звездного приливного разрушения, это будет одним из самых строгих ограничений, которые мы имеем в отношении того, где должна существовать корона», – говорит Кара.
С тех пор корона изменилась, засветившись высокоэнергетическим рентгеновским излучением, которое команда также смогла наблюдать. Он не такой яркий, как когда-то, но исследователи продолжают наблюдать за ним, хотя и реже, чтобы увидеть, что еще предлагает эта система.
«Мы хотим следить за этим», – говорит Кара. "Он все еще находится в этом необычном состоянии с высокой текучестью, и, возможно, он снова совершит что-то безумное, поэтому мы не хотим пропустить это."
Это исследование частично финансировалось НАСА.