Рентгеновский спутник XRISM наблюдает за двойной системой, состоящей из черной дыры и обычной звезды. Он узнал удивительные вещи о перетоке газа между ними и излучении энергии во время этого процесса.
Наблюдение черных дыр в рентгеновском диапазоне
Международная группа исследователей сообщила о впечатляющих результатах наблюдений XRISM за двойной рентгеновской системой черной дыры 4U 1630–472, расположенной в нашей Галактике. XRISM — это рентгеновский астрономический спутник, разработанный Японией в сотрудничестве с США и Европой, запущенный из космического центра Танегасима 7 сентября 2023 года.
Это наблюдение, проведенное во время потухания вспышки, позволило успешно зафиксировать линии поглощения высокоионизированного железа в самом слабом рентгеновском состоянии системы. Результаты дают редкую возможность заглянуть в структуру и движение горячего газа вокруг черной дыры во время ее самой слабой рентгеновской фазы, предоставляя новые представления о том, как эти экстремальные системы эволюционируют и взаимодействуют со своим окружением.
Размеры черных дыр колеблются от нескольких до миллиардов солнечных масс. Рентгеновские двойные системы содержат черную дыру звездной массы — обычно не более чем в несколько десятков раз превышающую массу Солнца, — которая вращается вокруг обычной звезды. Газ, вытягиваемый из этой звезды, спиралью направляется к черной дыре, формируя чрезвычайно горячий аккреционный диск. В его внутренних областях температура достигает почти 10 млн кельвинов, излучая мощный рентгеновский свет.
Поведение рентгеновских двойных систем по ЧД
На сегодняшний день известно около сотни подтвержденных или вероятных рентгеновских двойных систем с черными дырами, среди которых — знаменитая Лебедь X-1. Большую часть времени они остаются тусклыми, однако иногда переживают вспышки, когда их рентгеновская яркость может возрасти в 10 000 раз всего за неделю. Во время таких эпизодов некоторые системы выбрасывают мощные ветры из аккреционных дисков, однако условия, вызывающие эти резкие вспышки и запускающие ветры, до сих пор остаются недостаточно изученными.
Исследование черных дыр звездной массы дает ценную информацию о поведении сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, которые играют ключевую роль в формировании звезд и эволюции самих галактик. Наблюдая за ними вблизи, астрономы пытаются раскрыть универсальные процессы, определяющие динамику космической среды.
Что удалось зафиксировать с помощью XRISM?
XRISM оснащен Resolve — самым современным мягким рентгеновским спектрометром, способным измерять энергию рентгеновского излучения с беспрецедентной точностью. Вскоре после начала регулярной работы команда наблюдала 4U 1630-472, рентгеновскую двойную систему с черной дырой, расположенную в созвездии Наугольника. В течение примерно 25 часов с 16 по 17 февраля 2024 года XRISM зафиксировал систему непосредственно перед тем, как она вернулась в состояние покоя в конце вспышки, когда ее рентгеновская яркость уже упала до примерно одной десятой от пикового значения.
Наблюдение за переходными явлениями требовало быстрой координации. Команда ежедневно проводила мониторинг рентгеновских двойных систем с черными дырами с помощью широкоугольных рентгеновских приборов, затем тесно сотрудничала с операционной командой XRISM, чтобы оперативно скорректировать график, что сделало это наблюдение возможным.
Полученные спектры выявили четкие линии поглощения высокоионизированного железа, даже на этой тусклой стадии. Примечательно, что во второй половине наблюдения поглощение усилилось, невзирая на незначительные изменения яркости рентгеновского излучения.
Анализ показал, что поглощающий газ находился во внешнем аккреционном диске, двигаясь со скоростью менее ~200 км/с — гораздо медленнее, чем ветры со скоростью ~1000 км/с, которые наблюдались в более ярких фазах. При таких низких скоростях газ остается гравитационно привязанным к черной дыре. Рост поглощения во второй половине наблюдения, вероятно, был обусловлен локализованным газовым облаком на внешнем крае диска, которое, возможно, возникло в месте столкновения потока от спутниковой звезды с диском.
Движение газа у черной дыры
Эти наблюдения являются первым случаем, когда подробные особенности поглощения были обнаружены в рентгеновской двойной системе с черной дырой при столь низкой светосиле. Благодаря исключительным спектральным возможностям XRISM астрономы смогли составить карту движения и распределения горячего газа вблизи черной дыры в ранее недоступном режиме.
Результаты показывают, что даже при слабом рентгеновском излучении вокруг черной дыры может присутствовать высокоионизированный газ, возможно, находящийся в движении. Это дает ценную информацию о притоке и оттоке газа в аккреционном диске и физических условиях, которые могут повлечь за собой образование ветра.
Следующей целью команды является фиксация будущих вспышек разной яркости с помощью XRISM, что позволит отслеживать изменения свойств газа со временем. Сейчас они находятся в режиме ожидания, готовы быстро реагировать, когда произойдет следующая вспышка черной дыры в рентгеновской двойной системе.
По материалам phys.org
