XRISM зафиксировал медленно движущийся горячий газ возле черной дыры в фазе слабого рентгеновского излучения

Концептуальная иллюстрация рентгеновской двойной системы с черной дырой. Сильная гравитация черной дыры (показана как маленькая черная точка в центре диска справа) притягивает газ от звезды-компаньона (слева). По мере того как газ закручивается внутрь, он образует вокруг черной дыры высокотемпературный аккреционный диск. Автор: JAXA

Международная исследовательская группа сообщила о выдающихся результатах наблюдения рентгеновского спутника XRISM за черной дырой в рентгеновской двойной системе 4U 1630–472, расположенной в нашей галактике. XRISM — это рентгеновский астрономический спутник, разработанный Японией в сотрудничестве с США и Европой и запущенный из Космического центра Танэгасима 7 сентября 2023 года.

Это наблюдение, проведенное во время затухания вспышки, успешно зафиксировало линии поглощения сильно ионизированного железа в самом слабом рентгеновском состоянии системы. Результаты предлагают редкий взгляд на структуру и движение горячего газа вокруг черной дыры во время ее самой слабой рентгеновской фазы, предоставляя новые данные о том, как эти экстремальные системы эволюционируют и взаимодействуют с окружающей средой.

Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters. Команду возглавляли профессор Джон М. Миллер (Мичиганский университет), доктор Мисаки Мидзумото (Университет педагогического образования Фукуоки) и доктор Мегуми Сидатцу (Университет Эхимэ).

Черные дыры варьируются в размерах от нескольких до миллиардов солнечных масс. Рентгеновская двойная система с черной дырой содержит черную дыру звездной массы, обычно менее нескольких десятков масс Солнца, вращающуюся вокруг обычной звезды. Газ, притянутый от звезды-компаньона, закручивается по направлению к черной дыре, образуя чрезвычайно горячий аккреционный диск. В его внутренних областях температуры могут достигать почти 10 миллионов кельвинов, генерируя интенсивное рентгеновское излучение.

Рентгеновские спектры, полученные с помощью Resolve (синий: первая половина наблюдения, красный: вторая половина наблюдения) и спектры, полученные ранее с помощью HETGS на борту Chandra (серый). Красный спектр смещен вниз для удобства сравнения (интенсивность рентгеновского излучения была уменьшена примерно до 60% от фактического значения). На самом деле он почти идентичен синему спектру, за исключением линий поглощения. Автор: JAXA

XRISM оснащен Resolve — передовым спектрометром мягкого рентгеновского излучения, способным измерять энергии рентгеновских лучей с беспрецедентной точностью. Вскоре после начала регулярных операций команда наблюдала 4U 1630–472, рентгеновскую двойную систему с черной дырой, расположенную в созвездии Наугольника. За примерно 25 часов с 16 по 17 февраля 2024 года XRISM зафиксировал систему как раз перед тем, как она вернулась в состояние покоя в конце вспышки, когда ее рентгеновская яркость уже упала примерно до одной десятой от пиковой.

Наблюдение за переходными явлениями потребовало быстрой координации. Команда ежедневно проводила мониторинг рентгеновских двойных систем с черными дырами с помощью широкопольных рентгеновских приборов, а затем тесно сотрудничала с операционной группой XRISM для корректировки графика в кратчайшие сроки, что сделало это наблюдение возможным.

Линии поглощения и их происхождение. Во время наблюдения ионизированный газ, расположенный примерно в 10 000 км от черной дыры, предположительно распределен над аккреционным диском. Кроме того, там, где падающий от звезды-компаньона газ сталкивается с аккреционным диском, из-за столкновения образуются сгустки ионизированного газа, перпендикулярные плоскости диска. Во второй половине периода наблюдения эти сгустки выравниваются с орбитальным движением двойной системы вдоль нашей линии визирования, увеличивая поглощение рентгеновских лучей и приводя к более глубоким линиям поглощения. Автор: JAXA

Полученные спектры выявили четкие линии поглощения от сильно ионизированного железа даже на этой тусклой стадии. Примечательно, что во второй половине наблюдения поглощение усилилось, несмотря на незначительное изменение рентгеновской яркости.

Анализ показал, что поглощающий газ находился во внешнем аккреционном диске, двигаясь со скоростью менее ~200 км/с — что намного медленнее, чем ветры со скоростью ~1000 км/с, наблюдаемые в более ярких фазах. При таких низких скоростях газ остается гравитационно связанным с черной дырой. Увеличение поглощения во второй половине наблюдения, вероятно, произошло от локализованного газового облака на внешнем крае диска, возможно, образовавшегося там, где падающий поток от звезды-компаньона сталкивался с диском.

Эти наблюдения знаменуют собой первый случай, когда подробные особенности поглощения были разрешены в рентгеновской двойной системе с черной дырой при такой низкой светимости. Благодаря исключительным спектральным возможностям XRISM астрономы смогли картировать движение и распределение горячего газа вблизи черной дыры в режиме, который ранее был недоступен.

Результаты показывают, что даже когда выход рентгеновского излучения слаб, вокруг черной дыры может присутствовать — и, возможно, двигаться — сильно ионизированный газ. Это дает ценную информацию о притоке и оттоке газа в аккреционном диске и физических условиях, которые могут вызвать образование ветра.

ИИ: Это открытие подчеркивает, насколько динамичными и сложными являются окрестности черных дыр даже в их «тихие» периоды. Спутник XRISM, по сути, дает нам «суперзрение» для изучения процессов, которые раньше были скрыты от наших инструментов.