Голодная бездна: почему сверхмассивная чёрная дыра потеряла 95% своей яркости за 20 лет

Астрономы стали свидетелями того, как далёкая галактика перекрыла «питание» — поток обычного вещества — к своей центральной сверхмассивной чёрной дыре. Поскольку области вокруг кормящихся чёрных дыр часто ярче, чем всё свечение всех звёзд их родной галактики вместе взятых, это привело к радикальному изменению яркости всего за 20 лет. Голодание центральной чёрной дыры ознаменовалось падением яркости галактики на 95% — до 5% от исходного значения.

Это открытие примечательно тем, что оно доказывает: активность сверхмассивных чёрных дыр может кардинально меняться за промежутки времени, сопоставимые с человеческой жизнью, — а не за тысячи лет, как предполагают современные модели. Будучи первым свидетельством такого быстрого «голодания», это открытие может заставить пересмотреть текущие модели питания чёрных дыр, согласно которым подобные изменения требуют гораздо больше времени.

Считается, что в центре всех галактик есть сверхмассивные чёрные дыры с массами в миллионы или даже миллиарды масс Солнца, но не все эти космические титаны активно питаются. Например, Стрелец A* (Sgr A*) — сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути — находится на диете, сравнимой с тем, как если бы человек съедал одно зёрнышко риса каждый миллион лет.

Когда сверхмассивные чёрные дыры окружены изобилием газа и пыли, их огромное гравитационное влияние заставляет этот дископодобный структуру, называемую аккреционным диском, ярко светиться. Эта космическая «кладовая» с кормящейся чёрной дырой в центре называется активным галактическим ядром (AGN). Оно может становиться настолько ярким, что затмевает суммарный свет всех звёзд в окружающей галактике. Когда поток газа к аккреционному диску замедляется и кладовая чёрной дыры не пополняется, яркость AGN падает. Именно это, судя по всему, и происходит в этой галактике.

«Завораживает, что активное галактическое ядро может так радикально менять свою яркость за столь короткое время, и что это угасание, похоже, вызвано сильным изменением скорости аккреции на сверхмассивную чёрную дыру», — заявил в пресс-релизе руководитель группы Томоки Морокума из Технологического института Тибы. «Используя данные широкоугольных обзоров, таких как наблюдения Hyper Suprime-Cam, мы надеемся обнаружить больше подобных объектов и понять, как активность сверхмассивных чёрных дыр затухает и возобновляется».

Сверхмассивную чёрную дыру посадили на строгую диету

Международная команда астрономов обнаружила, что чёрная дыра в галактике J0218−0036 постепенно «голодает», когда они погрузились в два десятилетия архивных астрономических данных и сравнили изображения Слоановского цифрового небесного обзора (SDSS) со снимками Hyper Suprime-Cam (HSC) на телескопе «Субару».

Это выявило снижение яркости на 95% за 20 лет. Это экстремальное изменение по сравнению с обычной изменчивостью яркости AGN, которая составляет около 30%. Команда продолжила исследование AGN, используя наблюдения, охватывающие 70 лет, а также собрав новые данные с помощью Большого телескопа Канарских островов (GTC), телескопа «Субару», обсерватории У. М. Кека и массива радиотелескопов. Это позволило отследить изменения яркости в широком диапазоне длин волн — от рентгеновского до инфракрасного излучения.

В ходе этого исследования команда определила, что скорость падения газа из аккреционного диска в сверхмассивную чёрную дыру сократилась примерно на 98% всего за семь лет. Это указало исследователям на то, что поступление вещества в аккреционный диск быстро уменьшается.

Исследователи подтвердили, что это именно случай прекращения подачи «пищи» чёрной дыре, исключив возможность того, что облако газа прошло перед аккреционным диском, временно блокируя его свет. Они установили, что такое блокирование не могло бы объяснить изменения во всех изученных ими диапазонах длин волн.

Хотя прекращение подачи газа к этому AGN и остановка пополнения аккреционного диска, который постепенно питает сверхмассивную чёрную дыру, не вызывают сомнений, команда не может точно сказать, что именно вызывает это прекращение. Но даже если механизм остаётся загадкой, это исследование показывает, что изменения в аккреции массы сверхмассивных чёрных дыр не всегда занимают тысячи лет, как считалось ранее.

«Этот объект демонстрирует быструю изменчивость, которую нельзя объяснить стандартными моделями. Он служит важным испытательным полигоном для разработки новых теоретических моделей», — сказал участник команды Тосихиро Кавагути из Университета Тоямы. «Мы исследуем, какие физические условия могут воспроизвести наблюдаемое поведение».

Исследование, опубликованное в журнале Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ), не только открывает новое окно в эволюцию галактик, но и заставляет пересмотреть наши представления о том, как быстро может умирать и возрождаться активность космических гигантов. Учёные предполагают, что подобные «выключения» могут быть временными: если чёрная дыра найдёт новый источник газа, её яркость может вспыхнуть вновь — уже в следующих поколениях земных наблюдателей.