NICER картографирует обломки квазипериодических извержений Ански

Система, которую астрономы называют Анской, в галактике в центре этого изображения, является домом для недавно обнаруженной серии квазипериодических извержений. Автор: Sloan Digital Sky Survey

Впервые астрономы исследовали физическую среду повторяющихся рентгеновских всплесков вблизи гигантских черных дыр благодаря данным, полученным с космического аппарата NASA NICER (Исследователь внутреннего состава нейтронных звезд) и других миссий.

Ученые только недавно столкнулись с этим классом рентгеновских вспышек, называемых QPE, или квазипериодическими извержениями. Система, которую астрономы прозвали Ansky, является восьмым обнаруженным источником QPE, и она производит самые энергичные выбросы, замеченные на сегодняшний день. Ansky также устанавливает рекорды по времени и продолжительности, с извержениями каждые 4,5 дня или около того, которые длятся примерно 1,5 дня.

«Эти QPE — загадочные и чрезвычайно интересные явления», — говорит Джохин Чакраборти, аспирант Массачусетского технологического института в Кембридже.

«Одним из самых интригующих аспектов является их квазипериодическая природа. Мы все еще разрабатываем методологии и структуры, необходимые для понимания причин QPE, и необычные свойства Ansky помогают нам улучшить эти инструменты».

Имя Ansky происходит от ZTF19acnskyy, названия вспышки видимого света, замеченной в 2019 году. Она находилась в галактике на расстоянии около 300 миллионов световых лет от нас в созвездии Девы. Это событие стало первым признаком того, что может происходить что-то необычное.

Статья об Ански, возглавляемая Чакраборти, была опубликована во вторник в The Astrophysical Journal.

Согласно одной из ведущих теорий, квантовые пики происходят в системах, где объект относительно малой массы проходит через газовый диск, окружающий сверхмассивную черную дыру, масса которой в сотни тысяч или миллиарды раз превышает массу Солнца.

Когда объект с меньшей массой пробивает диск, его прохождение выталкивает расширяющиеся облака горячего газа, которые мы наблюдаем как квантовые пики в рентгеновских лучах.

Ученые полагают, что квазипериодичность извержений возникает из-за того, что орбита меньшего объекта не идеально круглая и с течением времени движется по спирали к черной дыре. Кроме того, экстремальная гравитация вблизи черной дыры деформирует ткань пространства-времени, изменяя орбиты объекта так, что они не замыкаются сами на себя с каждым циклом.

Современные представления ученых предполагают, что извержения повторяются до тех пор, пока диск не исчезнет или объект на орбите не распадется, что может занять до нескольких лет.

«Экстремальные свойства Ansky могут быть обусловлены природой диска вокруг его сверхмассивной черной дыры», — считает Лорена Эрнандес-Гарсия, астрофизик из Центра поперечных исследований и технологий Millennium Nucleus для изучения сверхмассивных черных дыр, Института астрофизики тысячелетия и Университета Вальпараисо в Чили.

«В большинстве систем QPE сверхмассивная черная дыра, вероятно, разрывает пролетающую звезду, создавая небольшой диск очень близко к себе. В случае Ански мы считаем, что диск намного больше и может включать в себя более далекие объекты, создавая более длительные временные шкалы, которые мы наблюдаем».

Эрнандес-Гарсия, помимо того, что был соавтором статьи Чакраборти, руководил исследованием, в ходе которого были обнаружены квантовые фотоны Ански. Результаты исследования были опубликованы в апреле в журнале Nature Astronomy и использовали данные NICER, обсерватории Нила Герелса Свифта и рентгеновской обсерватории Чандра (НАСА), а также космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства (ЕКА).

Расположение NICER на Международной космической станции позволило ему наблюдать за Ansky примерно 16 раз в день с мая по июль 2024 года. Частота наблюдений имела решающее значение для обнаружения рентгеновских флуктуаций, которые показали, что Ansky производит QPE.

Команда Чакраборти использовала данные NICER и XMM-Newton, чтобы составить беспрецедентную карту быстрой эволюции выброшенного материала, обусловливающего наблюдаемые QPE, изучая изменения интенсивности рентгеновского излучения во время подъема и спада каждого извержения.

Рентгеновский телескоп NICER (Исследователь внутреннего состава нейтронных звезд) отражается на забрале шлема скафандра астронавта НАСА и бортинженера 72-й экспедиции Ника Хейга на этом «космическом селфи», сделанном с высоты во время выхода в открытый космос 16 января 2025 года. Автор: NASA/Nick Hague

Исследователи обнаружили, что в результате каждого удара масса, равная массе Юпитера, достигала скорости расширения около 15% от скорости света.

Возможность телескопа NICER часто наблюдать за Ански с космической станции и его уникальные измерительные возможности также позволили команде измерить размер и температуру приблизительно сферического пузыря мусора по мере его расширения.

«Все данные наблюдений Ansky NICER, использованные в этих работах, были собраны после того, как в мае 2023 года в приборе произошла «утечка света», — сказал Завен Арзуманян, научный руководитель миссии в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.

«Хотя утечка , устраненная в январе, повлияла на стратегию наблюдений телескопа, NICER все равно смог внести важный вклад в астрономию временного интервала или изучение изменений в космосе в видимых нами временных масштабах».

После ремонта NICER продолжил наблюдение за Ansky, чтобы изучить, как вспышки развивались с течением времени. Статья об этих результатах, подготовленная под руководством Эрнандес-Гарсии и в соавторстве с Чакраборти, находится на рассмотрении.

Наблюдательные исследования квантовых фотонов, подобные исследованиям Чакраборти, также сыграют ключевую роль в подготовке научного сообщества к новой эре многоканальной астрономии, которая объединяет измерения с использованием света, элементарных частиц и пространственно-временных ряби, называемых гравитационными волнами, для лучшего понимания объектов и событий во Вселенной.

Одной из целей будущей миссии LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ЕКА, в которой НАСА является партнером, является изучение экстремальных соотношений масс испиралей — или систем, в которых маломассивный объект вращается вокруг гораздо более массивного, как Ansky. Эти системы должны испускать гравитационные волны, которые невозможно наблюдать с помощью современных установок. Электромагнитные исследования QPE помогут улучшить модели этих систем перед ожидаемым запуском LISA в середине 2030-х годов.

«Мы собираемся продолжать наблюдать за Ansky так долго, как сможем», — сказал Чакраборти. «Мы все еще находимся в младенчестве понимания QPE. Это такое захватывающее время, потому что нужно так многому научиться».

Больше информации: Joheen Chakraborty et al, Rapidly Varying Ionization Features in a Quasi-periodic Eruption: A Homologous Expansion Model for the Spectroscopic Evolution, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb972

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center