Миссия рентгеновской визуализации и спектроскопии раскрывает окрестности черной дыры и остатков сверхновой

На этом изображении показано наблюдение остатка сверхновой N132D рентгеновским телескопом JAXA XRIMS. Эта сверхновая является результатом взрыва звезды примерно 3000 лет назад в Большом Магеллановом Облаке, в 160 000 световых лет от Земли. В верхней части изображения остаток сверхновой показан в рентгеновском свете. Желтый круг изображает область, где инструмент XRISM Resolve измерил чрезвычайно горячее железо (10 миллиардов градусов Кельвина). Розовая линия показывает край остатка, где взрывная волна взаимодействует с межзвездной средой, а горячий газ (плазма) более холодный (около 10 миллионов градусов Кельвина). Спектр показывает множество химических элементов, которые присутствуют в N132D. XRISM может идентифицировать каждый элемент, измеряя энергию рентгеновского фотона, специфичную для различных атомов. Метка «кэВ» на оси x графика относится к килоэлектронвольтам, единице энергии. «Энергетическое разрешение» XRISM, то есть его способность различать рентгеновский свет с разными длинами волн, является новаторским. С разрешением в 30 раз большим, чем у его предшественников, передовые спектроскопические возможности XRISM позволяют ученым измерять движение и температуру горячей плазмы с беспрецедентной точностью. Автор: JAXA

Миссия рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM) раскрыла структуру, движение и температуру материала вокруг сверхмассивной черной дыры и в остатке сверхновой в беспрецедентных деталях. Сегодня астрономы представили первые научные результаты нового рентгеновского телескопа, менее чем через год после запуска телескопа.

Что общего у гигантской черной дыры и остатков огромной взорвавшейся звезды? Это оба драматических небесных явления, где чрезвычайно горячий газ производит высокоэнергетическое рентгеновское излучение, которое может видеть XRISM.

В своих первых опубликованных результатах миссия XRISM, возглавляемая Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) при участии ЕКА, демонстрирует свои уникальные возможности по выявлению скорости и температуры раскаленного газа, называемого плазмой, а также трехмерных структур материала, окружающего черную дыру и взорвавшуюся звезду.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.

«Эти новые наблюдения предоставляют важную информацию для понимания того, как черные дыры растут, захватывая окружающую материю, и предлагают новый взгляд на жизнь и смерть массивных звезд. Они демонстрируют исключительные возможности миссии в исследовании высокоэнергетической Вселенной», — говорит ученый проекта ESA XRISM Маттео Гуайнацци.

Остаток сверхновой N132D

В одном из своих «первых световых» наблюдений XRISM сосредоточился на N132D, остатке сверхновой, расположенном в Большом Магеллановом Облаке примерно в 160 000 световых годах от Земли. Этот межзвездный «пузырь» горячего газа был выброшен взрывом очень массивной звезды примерно 3000 лет назад.

Используя свой инструмент Resolve, XRISM раскрыл структуру вокруг N132D в деталях. Вопреки прежним предположениям о простой сферической оболочке, ученые обнаружили, что остаток N132D имеет форму пончика. Используя эффект Доплера, они измерили скорость, с которой горячая плазма в остатке движется к нам или от нас, и установили, что она расширяется с кажущейся скоростью около 1200 км/с

Рентгеновский телескоп XRISM JAXA запечатлел распределение материи, падающей в сверхмассивную черную дыру в галактике NGC 4151, по широкому радиусу, охватывающему от 0,001 до 0,1 светового года. Определив скорость атомов железа по их рентгеновской сигнатуре, ученые составили карту последовательности структур, окружающих центрального «монстра»: диск, ближайший к черной дыре (синий), где газ движется со скоростью в несколько процентов от скорости света, за которым следует переходная область, где газ движется со скоростью в тысячи км/с и которую астрономы называют «областью широкой линии (BLR)» (оранжевый), и, наконец, тор в форме пончика (красный). Автор: JAXA

Resolve также показал, что остаток содержит железо, имеющее необычайную температуру в 10 миллиардов градусов Кельвина. Атомы железа были нагреты во время взрыва сверхновой посредством мощных ударных волн, распространяющихся внутрь, явление, которое было предсказано теорией, но никогда ранее не наблюдалось.

Остатки сверхновых, такие как N132D, содержат важные подсказки о том, как развиваются звезды и как (тяжелые) элементы, необходимые для нашей жизни, такие как железо, генерируются и распространяются в межзвездном пространстве. Тем не менее, предыдущие рентгеновские обсерватории всегда испытывали трудности с выявлением того, как распределялись скорость и температура плазмы.

Сверхмассивная черная дыра в галактике NGC 4151

XRISM также пролил новый свет на загадочную структуру, окружающую сверхмассивную черную дыру. Сосредоточившись на спиральной галактике NGC 4151, расположенной в 62 миллионах световых лет от нас, наблюдения XRISM предлагают беспрецедентный вид на вещество, очень близкое к центральной черной дыре галактики, масса которой в 30 миллионов раз больше массы Солнца.

XRISM запечатлел распределение материи, вращающейся вокруг черной дыры и в конечном итоге падающей в нее, в широком радиусе, охватывающем от 0,001 до 0,1 светового года, то есть от расстояния, сопоставимого с расстоянием между Солнцем и Ураном, до расстояния, в 100 раз превышающего это расстояние.

Определив движения атомов железа по их рентгеновской сигнатуре, ученые составили карту последовательности структур, окружающих гигантскую черную дыру: от диска, «питающего» черную дыру, до тора в форме бублика.

Эти результаты представляют собой важную часть головоломки, помогающей понять, как черные дыры растут, поглощая окружающую материю.

Хотя радио- и инфракрасные наблюдения выявили наличие тороидального образования вокруг черных дыр в других галактиках, спектроскопический метод XRISM является первым и на данный момент единственным способом отследить, как формируется и движется газ вблизи центрального «монстра».

XRISM будет изучать Вселенную в рентгеновском свете с беспрецедентным сочетанием мощности сбора света и энергетического разрешения — способностью различать рентгеновские лучи разных энергий. Миссия предоставит картину динамики в скоплениях галактик, химического состава Вселенной и потока материи вокруг аккрецирующих сверхмассивных черных дыр (активных ядер галактик или AGN), среди многих других тем. Автор: European Space Agency

Взгляд в будущее: будущие наблюдения и открытия

В последние месяцы научная группа XRISM усердно работала над установлением производительности инструментов и совершенствованием методов анализа данных, наблюдая за 60 ключевыми целями. Параллельно с этим было отобрано 104 новых набора наблюдений из более чем 300 предложенных заявок от ученых со всего мира.

XRISM проведет наблюдения на основе успешных предложений в течение следующего года; благодаря его исключительным показателям на орбите, превзошедшим даже первоначальные ожидания, это обещает еще много захватывающих открытий в будущем.

Больше информации:, The XRISM First Light Observation: Velocity Structure and Thermal Properties of the Supernova Remnant N132D, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.14301

Источник: European Space Agency