От скуки до взрыва: пробуждение гигантской черной дыры

Художественное представление аккреционного диска вокруг массивной черной дыры Ansky и его взаимодействия с небольшим небесным объектом. Автор: European Space Agency

Хотя мы знаем, что сверхмассивные черные дыры (в миллионы раз больше массы нашего Солнца) скрываются в центре большинства галактик, сама их природа делает их труднообнаружимыми и изучаемыми. В отличие от популярной идеи о черных дырах, постоянно «пожирающих» материю, эти гравитационные монстры могут проводить длительные периоды времени в спящей, неактивной фазе.

Это было справедливо для черной дыры в сердце SDSS1335+0728, далекой и ничем не примечательной галактики в 300 миллионах световых лет от нас в созвездии Девы. После десятилетий бездействия она внезапно засветилась и недавно начала производить беспрецедентные вспышки рентгеновского света.

Первые признаки активности появились в конце 2019 года, когда галактика неожиданно начала ярко светиться, привлекая внимание астрономов. После нескольких лет изучения они пришли к выводу, что необычные изменения, которые они наблюдали, вероятно, были результатом внезапного «включения» черной дыры — перехода в активную фазу. Яркая, компактная центральная область галактики теперь классифицируется как активное галактическое ядро, получившее прозвище «Анский».

«Когда мы впервые увидели свечение Ansky на оптических снимках, мы запустили последующие наблюдения с помощью рентгеновского космического телескопа NASA Swift и проверили архивные данные с рентгеновского телескопа eROSITA, но в то время мы не увидели никаких свидетельств рентгеновского излучения», — говорит Паула Санчес Саес, научный сотрудник Европейской южной обсерватории (Германия) и руководитель группы, которая первой исследовала активацию черной дыры.

Ански просыпается

Затем, в феврале 2024 года, группа под руководством Лорены Эрнандес-Гарсии, научного сотрудника Университета Вальпараисо (Чили), начала наблюдать вспышки рентгеновского излучения от Ansky с почти регулярными интервалами.

Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

«Это редкое событие дает астрономам возможность наблюдать поведение черной дыры в реальном времени с помощью рентгеновских космических телескопов XMM-Newton и NASA NICER, Chandra и Swift. Это явление известно как квазипериодическое извержение, или QPE. QPE — это кратковременные вспышки. И это первый раз, когда мы наблюдаем такое событие в черной дыре, которая, кажется, просыпается», — объясняет Лорена.

«Первый эпизод QPE был обнаружен в 2019 году, и с тех пор мы обнаружили лишь несколько новых. Мы пока не понимаем, что их вызывает. Изучение Ansky поможет нам лучше понять черные дыры и то, как они эволюционируют».

«XMM-Newton сыграл ключевую роль в нашем исследовании. Это единственный рентгеновский телескоп, достаточно чувствительный, чтобы обнаружить более слабый рентгеновский фоновый свет между вспышками. С помощью XMM-Newton мы смогли измерить, насколько тусклым становится Ansky, что позволило нам рассчитать, сколько энергии выделяет Ansky, когда он загорается и начинает мигать».

Распутывание загадочного поведения

Гравитация черной дыры захватывает материю, которая подходит слишком близко, и может разорвать ее на части. Например, материя из захваченной звезды будет распространяться в горячий, яркий, быстро вращающийся диск, называемый аккреционным диском. Текущее мнение заключается в том, что QPE вызываются объектом (который может быть звездой или небольшой черной дырой), взаимодействующим с этим аккреционным диском, и они связаны с разрушением звезды. Но нет никаких доказательств того, что Ansky уничтожил звезду.

Необычные характеристики повторяющихся всплесков Ански побудили исследовательскую группу рассмотреть другие возможности. Аккреционный диск мог быть образован газом, захваченным черной дырой из ее окрестностей, а не распавшейся звездой. В этом сценарии рентгеновские вспышки возникали бы из-за высокоэнергетических ударов в диске, спровоцированных небольшим небесным объектом, неоднократно пролетающим сквозь и разрушающим орбитальный материал.

«Вспышки рентгеновского излучения от Ansky в 10 раз длиннее и ярче, чем те, что мы видим от типичного QPE», — говорит Джохин Чакраборти, член группы и аспирант Массачусетского технологического института, США.

«Каждое из этих извержений высвобождает в сто раз больше энергии, чем мы когда-либо видели. Извержения Ански также демонстрируют самую длинную частоту из когда-либо наблюдавшихся, около 4,5 дней. Это доводит наши модели до предела и бросает вызов нашим существующим представлениям о том, как генерируются эти рентгеновские вспышки».

Наблюдение за черной дырой в действии

Возможность наблюдать за эволюцией Ansky в реальном времени — это беспрецедентная возможность для астрономов узнать больше о черных дырах и энергетических событиях, которые они вызывают.

«Что касается QPE, мы все еще находимся на этапе, когда у нас больше моделей, чем данных, и нам нужно больше наблюдений, чтобы понять, что происходит», — говорит научный сотрудник ЕКА и рентгеновский астроном Эрван Квинтин.

«Мы думали, что QPE являются результатом захвата небольших небесных объектов гораздо более крупными и их спирали, направленной к ним. Извержения Ански, похоже, рассказывают нам другую историю. Эти повторяющиеся всплески также, вероятно, связаны с гравитационными волнами, которые будущая миссия ESA LISA, возможно, сможет уловить».

«Крайне важно иметь эти рентгеновские наблюдения, которые дополнят данные о гравитационных волнах и помогут нам разгадать загадочное поведение массивных черных дыр».

Больше информации: Discovery of extreme Quasi-Periodic Eruptions in a newly accreting massive black hole, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02523-9

Источник: European Space Agency