«Колеблющиеся» останки звезды, которая погибла в пасти сверхмассивной чёрной дыры, помогли выявить скорость, с которой вращается космический хищник.
Считается, что сверхмассивные чёрные дыры рождаются в результате последовательных слияний меньших чёрных дыр, каждая из которых приносит с собой угловой момент, ускоряющий вращение порождаемой ими чёрной дыры. Следовательно, измерение вращения сверхмассивных чёрных дыр может дать представление об их истории — и новые исследования предлагают новый способ сделать такие выводы, основанные на влиянии вращающихся чёрных дыр на саму ткань пространства и времени.
Обречённая звезда, лежащая в основе этого исследования, была жестоко разорвана на части сверхмассивной чёрной дырой во время так называемого приливного разрушения (TDE). Эти события начинаются, когда звезда приближается слишком близко к огромному гравитационному воздействию чёрной дыры. Когда звезда оказывается достаточно близко, внутри звезды возникают огромные приливные силы, которые сжимают её по горизонтали и растягивают по вертикали. Это называется «спагеттификация», и это процесс, который превращает звезду в прядь звёздной пасты — но, что особенно важно, не вся она поглощается разрушительной чёрной дырой.
Часть этого материала уносится ветром, а часть окутывает чёрную дыру, образуя сплющенное облако, называемое аккреционным диском. Мало того, что этот аккреционный диск постепенно питает центральную чёрную дыру, те же приливные силы, которые изначально разрушили звезду, также вызывают огромные силы трения, которые нагревают эту пластинку газа и пыли, заставляя её ярко светиться.
Более того, когда сверхмассивные чёрные дыры вращаются, они увлекают за собой саму ткань пространства-времени (четырехмерное единство пространства и времени). Этот так называемый эффект «Лензе-Тирринга», или «перетаскивания кадра», означает, что на краю вращающейся сверхмассивной чёрной дыры ничто не стоит на месте. Этот эффект также вызывает кратковременное «колебание» вновь образовавшегося аккреционного диска чёрной дыры.
Теперь же группа исследователей обнаружила, что «колебание» этого аккреционного диска можно использовать для определения скорости вращения центральной чёрной дыры.
«Перетаскивание кадра — это эффект, присутствующий во всех вращающихся чёрных дырах, — рассказал Space.com руководитель группы Дирадж «ДиДжей» Пашам (Dheeraj «DJ» Pasham), учёный из Массачусетского технологического института (MIT). — Итак, если разрушающая чёрная дыра вращается, то поток звёздного мусора в чёрную дыру после TDE подвержен этому эффекту.»
Святая горячая рентгеновская звездная паста!
Чтобы исследовать TDE и перетаскивание кадров, команда потратила 5 лет на поиск ярких и относительно близких примеров убийств звёзд, вызванных чёрной дырой, которые можно было бы быстро расследовать. Целью было обнаружить признаки прецессии аккреционного диска, вызванной эффектом Лензе-Тирринга.
В феврале 2020 года этот поиск увенчался успехом. Команде удалось обнаружить AT2020ocn, яркую вспышку света, исходящую из галактики, расположенной на расстоянии около миллиарда световых лет. AT2020ocn была первоначально обнаружена в оптических длинах волн с помощью Установки для поиска транзиентов имени Цвикки, и эти данные видимого света указывают на то, что излучение возникло из-за TDE, включающего сверхмассивную чёрную дыру с массой от 1 до 10 миллионов раз больше солнечной.
«Из-за эффекта Лензе-Тирринга рентгеновское излучение, исходящее от вновь сформированного горячего аккреционного диска, прецессирует или «колебается». Это проявляется в рентгеновских модуляциях данных, — сказал Пашам. — Однако через некоторое время, когда мощность аккреции снижается, гравитация заставляет диск выровняться по отношению к чёрной дыре, после чего колебание и рентгеновские модуляции прекращаются.»
Пашам и его коллеги подозревали, что TDE, запустивший AT2020ocn, может стать идеальным событием для охоты за прецессией Лензе-Тирринга — и поскольку этот тип колебания присутствует только на раннем этапе после формирования аккреционного диска, им пришлось действовать быстро.
«Главное заключалось в том, чтобы иметь правильные наблюдения, — сказал Пашам. — Единственный способ сделать это — как только произойдёт приливное разрушение, вам нужно будет заставить телескоп смотреть на этот объект непрерывно, в течение очень долгого времени, чтобы вы могли исследовать все виды временных масштабов, от минут до месяцев.»
Именно здесь на помощь пришёл NASA Neutron Star Internal Composition ExploreR (NICER): рентгеновский телескоп, расположенный на Международной космической станции (МКС), который измеряет рентгеновское излучение вокруг чёрных дыр и других сверхплотных, компактных массивных объектов, таких как нейтронные звёзды. Команда обнаружила, что NICER не только смог поймать TDE, но и мог непрерывно следить за развитием события в течение нескольких месяцев.
«Мы обнаружили, что яркость рентгеновских лучей и температура области, испускающей рентгеновские лучи после TDE, модулируются в течение 15 дней, — сказал Пашам. — Этот повторяющийся 15-дневный рентгеновский сигнал исчез через три месяца.»
Выводы команды также преподнесли сюрприз.
Оценки массы чёрной дыры и массы разрушенной звезды показали, что чёрная дыра вращалась не так быстро, как ожидалось.
«Было немного удивительно наблюдать то, что чёрная дыра вращается не так быстро — всего менее 25% скорости света», — сказал Пашам.
Пашам считает, что благодаря новой обсерватории Веры К. Рубин, которая в настоящее время строится на севере Чили и собирается провести 10-летнее исследование Вселенной под названием «Legacy Survey of Space and Time»/«Наследие обзора пространства и времени» (LSST), будущее для поиска событий приливного разрушения (TDE) выглядит многообещающе.
«Ожидается, что Рубин обнаружит тысячи TDE в течение следующего десятилетия. Если мы сможем измерить прецессию Лензе-Тирринга даже в небольшой части из них, мы сможем что-то сказать о спиновом распределении сверхмассивных чёрных дыр, которое связано с их эволюцией на протяжении возраста всей Вселенной, — заключил Пашам. — У нашей команды есть несколько предложений по наблюдению, чтобы следить за будущими TDE. Мы обязательно будем исследовать перетаскивание кадров вокруг других чёрных дыр TDE!»
Исследование команды было опубликовано в среду (22 мая) в журнале Nature.
