Сверхмассивная чёрная дыра «отрыгнула» радиоджеты через 300 дней после космического пиршества

Используя рентгеновский космический аппарат NASA Swift в сочетании с радиоаблюдениями, астрономы наблюдали, как сверхмассивная чёрная дыра «отрыгнула» радиоджеты через 300 дней после обильной космической трапезы. Команде также удалось приблизительно оценить массу этого питающегося космического титана, находящегося в сердце скопления Персея — массивного собрания тысяч галактик.

Чёрная дыра расположена в центре галактики NGC 1275, находящейся на расстоянии около 225 миллионов световых лет, и является самой яркой галактикой скопления Персея. Сверхмассивная чёрная дыра сначала вспыхнула в рентгеновском диапазоне, что указывало на увеличение скорости аккреции материи. Активно питающиеся сверхмассивные чёрные дыры находятся в областях, называемых активными ядрами галактик (AGN), где их огромная гравитация нагревает окружающую материю, заставляя её ярко светиться. Это излучение усиливается материалом, направляемым к полюсам центральной чёрной дыры, откуда он выбрасывается в виде мощных двойных джетов, сияющих по всему электромагнитному спектру, особенно в радиоволнах.

Наблюдение последующего радиоджета от AGN в сердце NGC 1275 через вспышку в радиоволнах имеет решающее значение для понимания связи между диском материи, который окружает и питает чёрную дыру, называемым аккреционным диском, и джетами, которые она запускает. Эта так называемая связь «диск–джет» является ключом к построению более полной картины того, как чёрные дыры влияют на звездообразование в галактиках, в которых они находятся, и, следовательно, на рост этих галактик.

Сделать такие наблюдения непросто. Идеальным космическим аппаратом для наблюдения рентгеновского излучения является Chandra, но он не наблюдает NGC 1275 достаточно часто, чтобы отслеживать её долгосрочное поведение. Обсерватория NASA Neil Gehrels Swift может уступать Chandra в мощности, но, будучи запущенной в 2004 году, она собрала огромный объём данных о NGC 1275 и её центральной сверхмассивной чёрной дыре.

«Довольно трудно увидеть внутреннюю область этого AGN, потому что NGC 1275 находится в центре массивного скопления галактик Персея, которое добавляет дополнительный свет к нашим наблюдениям, — рассказаларуководитель команды Сара Кетчум из Мичиганского университета. — Мы разработали модель, которая позволила нам удалить излучение скопления из архивных данных Swift, и благодаря этому мы смогли увидеть изменения рентгеновского потока от газа, аккрецирующегося на чёрную дыру в NGC 1275, с 2007 по 2025 год».

Кетчум добавила, что возможности Swift были ключевыми для этого исследования NGC 1275, которая является идеальной лабораторией для изучения связи «диск–джет».

«Были исследования других галактик с AGN, показывающие свидетельства связи между аккрецией газа, отслеживаемой в рентгеновском свете, и выбросом газа в джетах, отслеживаемым в радиосвете. Но NGC 1275 раскрывает влияние джетов чёрной дыры на больших пространственных масштабах лучше, чем любая другая система», — продолжила исследовательница из Мичиганского университета.

Эта чёрная дыра не съела звезду

Кетчум и её коллеги увидели сильнейшую за всю историю наблюдений рентгеновскую вспышку от NGC 1275 в феврале 2023 года. Продлившись менее 60 дней и состоя из двух пятидневных всплесков, этот эпизод сопровождался удвоением рентгеновской яркости AGN в сердце NGC 1275.

Вспышка была настолько экстремальной, что команде пришлось исключить событие приливного разрушения (TDE) как причину. Они происходят, когда орбита несчастливой звезды приводит её слишком близко к огромному гравитационному влиянию сверхмассивной чёрной дыры. Это влияние создаёт интенсивные приливные силы, которые одновременно сжимают и растягивают звезду, «спагеттифицируя» её и позволяя чёрной дыре полакомиться плазменными макаронами.

«Мы смогли исключить TDE как причину, — сказала Кетчум. — Таким образом, вспышка, вероятно, была вызвана всплеском скорости, с которой материя аккрецировалась на чёрную дыру».

Используя данные Swift, команда смогла определить радиус, в пределах которого AGN излучает радиацию. Поскольку размер чёрной дыры напрямую коррелирует с её массой, это означало, что исследователи смогли ограничить массу чёрной дыры в сердце NGC 1275. Они определили, что эта сверхмассивная чёрная дыра имеет массу где-то между 100 миллионами масс Солнца и 1 миллиардом солнечных масс.

Затем команда сравнила свои данные с известными радиоданными, чтобы лучше понять связь между рентгеновским излучением и радиоджетами, которые нарушают газ в NGC 1275.

Кетчум добавила, что она и её коллеги нашли предварительные свидетельства задержки примерно в 300 дней между рентгеновской вспышкой и радиоизлучением. Это указывает на время, которое требуется плазме, чтобы пройти от основания джета до узла или ударной волны, созданной при столкновении с окружающим газом или пылью.

«Это следует проверить дальше в будущем. Наши рентгеновские данные лишь скудно охватывают изменения в NGC 1275, — сказала Кетчум. — Это затрудняет определение точной связи между рентгеновским и радиоизлучением для больших частей нашей кривой блеска, поэтому нам потребуется больше рентгеновских данных, чтобы дополнительно изучить эту связь».

Исследовательница добавила, что если рентгеновские вспышки производятся вблизи чёрной дыры, то должно наблюдаться эхо этих вспышек, исходящее от аккреционного диска.

«В данных NGC 1275 видна эмиссионная линия от нейтрального железа, и это может быть эхом. Однако нам, вероятно, потребуется множество наблюдений с помощью XMM-Newton и XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission), чтобы действительно установить эту связь», — заключила Кетчум.

Исследование команды принято к публикации в Astrophysical Journal Letters, а версия до рецензирования доступна на сайте репозитория arXiv.

Источники: Space.com, Astrophysical Journal Letters, arXiv.