Переменчивость чёрной дыры в галактике Андромеды

Рентгеновские данные, собранные телескопом Chandra из центра M31, выделяют четыре ядерных источника — S1, SSS, N1 и P2. P2 соответствует положению сверхмассивной черной дыры в центре галактики Андромеда. Автор: The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1d5

Исследователь из Мичиганского государственного университета с помощью рентгеновского телескопа NASA Chandra наблюдал рентгеновские лучи, исходящие от черной дыры.

«В каждой большой галактике есть сверхмассивная черная дыра, но точная природа связи между ними до сих пор остается загадкой», — сказал Стивен ДиКерби, научный сотрудник по физике и астрономии в Колледже естественных наук. «После анализа данных [с телескопа Чандра] у меня пробежал холодок, потому что я понял, что смотрю на рентгеновские лучи от мерцающей сверхмассивной черной дыры».

Черные дыры обладают мистикой, аурой. Они — невидимые монстры во вселенной, но ученые по всему миру не сторонятся этих чудовищ. Они принимают их как лаборатории для физических и астрономических исследований.

Сверхмассивные черные дыры — это объекты с массой в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, зажатые в столь малом пространстве, что даже свет не может вырваться наружу. Материал, падающий в мощную гравитацию черной дыры, может нагреваться до экстремальных температур.

ДиКерби, который также является членом нейтринной обсерватории IceCube, и его коллеги изучили 15 лет данных, собранных Chandra. Затем они собрали воедино запись рентгеновского света, произведенного сверхмассивной черной дырой в галактике Андромеды, называемой звездой M31 или M31*.

Их исследование дает представление об уникальной связи между галактикой и ее черной дырой. Это имеет решающее значение для понимания того, как развивалась Вселенная за последние 14 миллиардов лет. Результаты их анализа были недавно опубликованы в The Astrophysical Journal.

Рентгеновские события Chandra вблизи ядра M31 в наблюдениях в режиме HRC 13178 (красный), 27695 (зеленый) и 28911 (синий) до перестройки данных (слева) и после (справа). До перестройки 27695 имеет смещение на восток по сравнению с другими наблюдениями, а 28911 имеет смещение на юг. После коррекции смещения удаляются, и центроиды каждого цвета одинаковы, хотя межнаблюдательная изменчивость все еще видна как чистая окраска каждого источника. Автор: The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1d5

Все началось с линии нейтринных хлебных крошек

История начинается не с черных дыр, а с нейтрино — крошечных, электрически нейтральных частиц, которые устремляются сквозь космос к Земле. ДиКерби и его коллеги из IceCube следуют за нейтрино, как за следом из хлебных крошек в космосе, чтобы лучше понять, как функционируют самые экстремальные системы во Вселенной. Нейтрино могут быть созданы средами вблизи сверхмассивных черных дыр, таких как M31*.

«У Chandra такое высокое пространственное разрешение, что он может отделить рентгеновское излучение от M31* от трех других рентгеновских источников, которые толпятся вокруг него в ядре Андромеды. Это единственный телескоп, который может это сделать», — сказал ДиКерби. «Мы смогли реконструировать изображение — увеличить и улучшить, как в полицейском телешоу — чтобы отделить излучение, чтобы измерить только рентгеновское излучение от M31*, а не от других источников».

Мигающие фотоны освещают черную дыру

Они определили, что M31* находится в повышенном состоянии с 2006 года, когда она выбросила драматическую рентгеновскую вспышку. Они также обнаружили, что M31* испытала еще одну рентгеновскую вспышку в 2013 году, прежде чем успокоиться в состоянии после 2006 года. Это открытие согласуется с недавним открытием IceCube, которое связало вспышки, связанные с нейтрино в другой галактике, с ее сверхмассивной черной дырой. Эти результаты показывают, как наблюдения за близлежащими сверхмассивными черными дырами могут выявить вероятные временные окна для выбросов нейтрино.

В своей работе они использовали точные положения четырех источников рентгеновского излучения глубоко в ядре галактики Андромеды — S1, SSS, N1 и P2 — для определения местоположения сверхмассивной черной дыры P2.

Наблюдение 15324 захватывает каждый ядерный источник, кроме P2, в низком состоянии (зеленые круги), что позволяет проводить незагрязненную спектральную подгонку. Также показаны область источника (красный сплошной) и фоновая область (частичный красный прямоугольник), используемые для спектрального анализа. Автор: The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1d5

ДиКерби сравнивает отслеживание рентгеновской яркости этих объектов с измерением интенсивности четырех мерцающих свечей в дальнем конце футбольного стадиона. Благодаря мощности и разрешению телескопа Chandra команда смогла дифференцировать данные, чтобы изолировать каждый из соседних объектов.

Эта работа возможна только благодаря уникальным наблюдательным возможностям Chandra. Несмотря на то, что телескоп продолжает хорошо работать, он рискует потерять финансирование. Предлагаемый телескоп следующего поколения AXIS все еще находится на ранних стадиях разработки и не будет введен в эксплуатацию до 2030-х годов.

«Если Chandra будет выключен, ресурс для проведения этих наблюдений с высоким разрешением исчезнет навсегда», — сказал ДиКерби. «Поддержание этих возможностей и планирование следующего поколения телескопов имеет жизненно важное значение».

ДиКерби надеется, что эта статья мотивирует людей продолжать анализировать данные с M31*. Телескоп Чандра необходимо поддерживать в рабочем состоянии, пока продолжаются планы по дальнейшему развитию телескопа.

«Я хочу, чтобы мы продолжали наблюдать за системой, продолжали наблюдать за этими вспышками и продолжали писать историю сверхмассивных черных дыр», — сказал он.

Больше информации: Stephen DiKerby et al, Fifteen Years of M31* X-Ray Variability and Flares, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1d5

Источник: Michigan State University