Космическая премьера: сверхмассивная черная дыра «включилась» в режиме реального времени

Семь лет назад в далекой галактике произошла вспышка, которая постепенно угасла. После этого появился новый джет – струя вещества, которую выбросила сверхмассивная черная дыра. Но как это произошло?

Практически в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Черная дыра в нашей галактике, Млечном Пути, примерно в четыре миллиона раз массивнее Солнца, но другие могут быть в миллиарды, а то и в десятки миллиардов раз массивнее. Большую часть времени эти черные дыры «молчат»: их гравитация просто удерживает вращающееся вокруг них вещество.

Но иногда какой-нибудь объект или группа объектов подходит слишком близко к черной дыре, и она начинает поглощать эту материю: нагревать, разгонять и выбрасывать струи частиц и излучения. Выделяемая при этом энергия настолько велика, что ее можно обнаружить из любой точки Вселенной. Активные галактики и квазары – одни из самых далеких объектов, когда-либо обнаруженных нами.

Эти периоды активности могут длиться очень долго: десятки миллионов, сотни миллионов или даже более миллиарда лет (как минимум в одном случае), то есть гораздо дольше, чем человечество наблюдает за Вселенной. До недавнего времени мы никогда не видели, как сверхмассивная черная дыра в активной галактике «включается» или «выключается». Но событие 2018 года изменило всё.

После неожиданного повышения яркости в оптическом диапазоне в далекой галактике 1ES 1927+654 появился ряд удивительных особенностей, указывающих на то, что сверхмассивная черная дыра после долгого периода бездействия активизировалась и выбросила джет. Вот что мы увидели и что, по нашему мнению, это может означать.

черная дыра — Активная галактика 1ES 1927+654, обведенная кружком, демонстрирует необычайные изменения с 2018 года, когда произошел крупный выброс в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском свете. Галактика содержит в себе центральную черную дыру весом около 1,4 миллиона солнечных масс и находится на расстоянии 270 миллионов световых лет.

Главный герой этой истории — довольно обычная галактика 1ES 1927+654. До 2018 года она была известна как сейфертовская галактика: самый распространенный тип активной галактики, очень яркой в рентгеновском диапазоне в своей центральной области.

Учитывая довольно внушительную сверхмассивную черную дыру в ее центре — по оценкам, около миллиарда солнечных масс — неудивительно, что вокруг нее существует аккреционный диск из вещества, который нагревается и излучает энергию, позволяющую нам понять ее природу. Но в 2018 году произошло событие, которое, похоже, привело к чему-то замечательному: галактика изменила свой облик на временных масштабах, доступных для наблюдения человеком.

Поскольку эта галактика относительно близка к нам по космическим меркам — всего 236 миллионов световых лет — мы можем проводить детальные измерения ее света, что невозможно с большинством активных галактик, которые в среднем находятся гораздо дальше. Наблюдая за этой галактикой в оптическом (видимом) диапазоне, астрономы обнаружили, что в 2018 году она внезапно стала ярче: не просто немного, а примерно в 100 раз, что сравнимо с разницей в яркости между тонким серпом Венеры и тонким серпом Луны, наблюдаемыми с Земли.

Однако эта яркость не сохранилась. Достигнув максимума, она снова начала уменьшаться, вернувшись к исходному уровню. Основываясь на том, насколько яркой стала галактика и как быстро это произошло, многие астрономы предположили, что это был пример события приливного разрушения: когда большой, массивный объект проходит близко к малому, плотному объекту, такому как нейтронная звезда или черная дыра.

С точки зрения черной дыры, одна «сторона» проходящего мимо объекта будет ближе к ней, чем противоположная «сторона», что приводит к большей гравитационной силе на ближней стороне, чем на дальней. Если эти силы достаточно велики, они могут разорвать исходный объект: газовое облако, звезду, планету или даже остаток звезды.

Однако это увеличение и последующее уменьшение яркости описывает только то, что происходило в оптическом диапазоне; есть и другие длины волн света, которые мы можем наблюдать. В рентгеновской части спектра яркость:

резко упала практически до нуля в 2018 году,
оставалась на этом уровне в течение нескольких недель,
затем вернулась к исходному значению, где и оставалась до 2021 года,
медленно снижалась в 2021 году,
незначительно и нерегулярно менялась до 2023 года,
а затем постепенно увеличивалась с 2023 года до конца 2024 года,
что и приводит нас к сегодняшнему дню.

Тем временем, в радиодиапазоне галактика была спокойным объектом: неудивительно, поскольку только около 5-10% сейфертовских галактик имеют сильное радиоизлучение. Но затем, в 2023/2024 годах, она внезапно «включилась», выбросив огромное количество радиоволн во Вселенную.

Радиоданные оказались не только удивительными, но и стали «неопровержимым доказательством» запуска джета из активного ядра этой галактики. VLBA — Очень длинная базовая решетка из 10 радиотелескопов — обнаружила два «сгустка» радиоизлучения. Очень слабые и тихие в феврале 2023 года, эти сгустки:

активизировались,
стали ярче,
и разделились в пространстве,
в период с конца 2023 года по весь 2024 год.

Важно отметить, что увеличение яркости привело к значительному росту радиопотока, примерно в 60 раз, и с тех пор он остается на этом повышенном уровне.

Когда ученые задаются вопросом: «Что происходит и что является причиной этого?», у них есть класс объектов, которые демонстрируют удивительно похожие характеристики: гигагерцовые радиоисточники. Предполагается, что эти гигагерцовые радиоисточники представляют собой молодые радиоджеты «возрастом» всего 1000 лет или меньше. Тот факт, что данные VLBA показывают два хорошо различимых «сгустка», удаляющихся друг от друга, говорит о том, что мы видим:

новый отток вещества,
с релятивистскими (близкими к скорости света) скоростями,
который испускает биполярные джеты,
только что запущенные.

Более чем за год наблюдений два «сгустка» разделились примерно на половину светового года, что указывает на то, что эти джеты быстро движутся со скоростью около 30% скорости света.

Сочетание оптических данных, указывающих на событие приливного разрушения, с радиоданными, свидетельствующими о запуске галактического джета из окрестностей сверхмассивной черной дыры, позволяет нам частично реконструировать вероятный ход событий.

Массивный объект — возможно, обычная звезда, возможно, эволюционировавшая (гигантская) звезда, возможно, звездный остаток, такой как белый карлик или даже нейтронная звезда — приблизился к сверхмассивной черной дыре в центре галактики 1ES 1927+654. Различные гравитационные силы со стороны черной дыры разорвали объект (или, по крайней мере, его внешние слои), что привело к увеличению яркости, характерному для события приливного разрушения.

Затем вещество разрушенного объекта (или разрушенной части объекта) было направлено к горизонту событий черной дыры, где оно нагрелось, ионизировалось и создало сильные магнитные поля. Эти электромагнитные поля, взаимодействуя с заряженными (ионизированными) частицами, аккрецирующими вокруг черной дыры, не просто ускоряют и изгибают эти частицы, но и формируют их в джеты, которые сталкиваются с окружающим веществом. Через некоторое время эти процессы приводят к излучению радиоволн, характеристики которых можно ясно увидеть с расстояния в сотни миллионов (и более) световых лет.

Эта картина выглядит согласованной и убедительной, но история на этом не заканчивается, благодаря собранным рентгеновским данным. В рентгеновском свете этот объект всегда был «громким» (или ярким) в некотором смысле, поскольку он был известен как активная (сейфертовская) галактика еще до события приливного разрушения 2018 года. Однако после этого события рентгеновский поток резко упал, практически до нуля.

Считается, что в активных ядрах галактик рентгеновские лучи возникают, когда оптические и ультрафиолетовые фотоны, производимые в аккреционном диске вокруг черной дыры, сталкиваются с короной из нагретых электронов, расположенной перпендикулярно самому диску. Чтобы рентгеновский поток резко упал и практически исчез, что и произошло примерно на целый месяц, что-то должно было произойти, чтобы — по крайней мере, временно — разрушить рентгеновскую корону этой активной галактики.

События приливного разрушения могут привести к тому, что разрушенное вещество разлетится во всех направлениях, и это легко может быть причиной внезапного падения рентгеновского потока: разрушение условий для генерации этого излучения. Хотя у нас нет полной картины того, как это произошло, основная идея заключается в том, что электронная корона разрушается и должна восстановиться (вероятно, из новых электронов), прежде чем рентгеновские лучи вернутся.

Итак, что же здесь произошло? Что было разрушено, что осталось, и как это создало наблюдаемые нами характеристики?

Благодаря рентгеновским наблюдениям, полученным совместно NICER и XMM-Newton, мы можем получить дополнительные подсказки, изучая, как эти рентгеновские свойства менялись со временем. Первоначально, после того как рентгеновское излучение вернулось (после исчезновения на месяц в 2018 году), наблюдалась странная эмиссионная линия, которая указывала на отраженное излучение от вещества вокруг черной дыры, также известное как световое эхо.

После повторного увеличения яркости рентгеновское излучение усилилось, став примерно в 10 раз ярче, чем до вспышки. После снижения (в 2021 году) и нерегулярных изменений (в 2021 и 2022 годах) рентгеновский поток снова начал постепенно увеличиваться, возрастая в 2022 и 2023 годах, прежде чем стабилизироваться в 2024 году и стать почти постоянным.

Но одна из особенностей рентгеновского излучения, которая появилась, начиная с 2022 года, и продолжается до сих пор (включая настоящее время), стала сюрпризом: колебания рентгеновского потока на коротких временных масштабах. В 2022 году поток увеличивался и уменьшался примерно на 10% каждые 18 минут. Последний раз, когда это было измерено, в середине-конце 2024 года, поток все еще периодически увеличивался и уменьшался примерно на ту же величину, но теперь колебания ускорились и происходят каждые 7 минут.

Хотя может показаться, что эти наблюдения только углубляют загадку, они могут указать путь к возможному решению: в аккреционном диске, вращаясь близко к черной дыре, может находиться какой-то объект, оставшийся после события приливного разрушения. Этот объект не может быть звездой или коричневым карликом, так как он был бы быстро и полностью разрушен приливными силами, если бы вращался вокруг этой черной дыры всего за 7 минут; он не смог бы сохраниться. Это также не может быть черная дыра, потому что сохранение момента импульса привело бы к распаду орбиты этой черной дыры, увеличивая массу сверхмассивной черной дыры в центре 1ES 1927+654.

Однако этот объект потенциально может быть нейтронной звездой или белым карликом; до тех пор, пока масса может передаваться или отсасываться от вращающегося компактного объекта к сверхмассивной черной дыре, он может оставаться на близкой, квазистабильной орбите в течение длительного времени. Если изначально существовала:

массивная звезда с плотным ядром, которая подверглась приливному разрушению,
двойная система звезда-нейтронная звезда или звезда-белый карлик, где звезда разрушается,
массивный белый карлик, внешние слои которого были разрушены,
двойная система белых карликов, где один (и только один) из них был разрушен,
или умирающая гигантская звезда, внешние слои которой были разрушены, но сжимающееся ядро которой все еще сохраняется,

то оптическое приливное разрушение, включение радиоизлучения в 2023 году и особенности рентгеновского потока, включая эти колебания, могут быть объяснены.

Количество массы, необходимое для создания этих наблюдаемых характеристик, не очень велико: менее одной солнечной массы разрушенного вещества может быть достаточно, чтобы объяснить все. Хотя первоначально именно изучение двойных систем белых карликов побудило к исследованию этого сценария, остается много других жизнеспособных вариантов.

Также возможно, что нет никакого «выжившего объекта», вызывающего эти периодические особенности в рентгеновском потоке; может быть, сложные плазменные колебания вызывают регулярные подъемы и спады в наблюдаемом нами рентгеновском излучении. Потребуется больше времени и дальнейшие наблюдения, чтобы увидеть, как система продолжает развиваться, что позволит дополнительно ограничить круг возможных вариантов, объясняющих все наблюдаемые явления.

Мы должны помнить, что объяснения, которые традиционно «не имеют смысла», все еще возможны, поскольку условия всего в нескольких гравитационных радиусах от горизонта событий сверхмассивной черной дыры являются одними из самых экстремальных во Вселенной. Обычно очень трудно представить, как большой, массивный объект мог оставить после себя что-то вроде белого карлика или нейтронной звезды после всего лишь 4-5 лет эволюции, но с приливным разрушением и большой начальной массой это действительно экстремальные условия, и, возможно, именно такой экстремальный сценарий Вселенная и подготовила для нас!

Как бы то ни было, мы впервые наблюдали, как активная галактика «включилась» и выбросила радиоджет в режиме реального времени, прямо на наших глазах. Возможно, то, что многие принимают за белый карлик, на самом деле является невероятно экстремальным объектом: чем-то с массой всего в одну десятую солнечной массы, то есть примерно на 80% легче, чем самые легкие из известных белых карликов. Произошло нечто замечательное, и наш первый взгляд на «активацию» галактики — это наша награда за наблюдение. Теперь предстоит напряженная работа, поскольку астрономы будут пытаться выяснить, что именно произошло и как.