Исследователи выяснили, как трансформируются области пространства вокруг черной дыры в момент поглощения ею вещества из близлежащей звезды. В ходе заключительного выброса частиц, исходящих от черной дыры, ее корона кратковременно увеличивается в размерах. Этот процесс способен пролить свет на воздействие вспышек сверхмассивных черных дыр на развитие галактик, в которых они находятся.
Исследование черных дыр представляет собой сложную задачу, поскольку эти объекты, образующие глубокие «воронки» в пространстве-времени, притягивают даже световые частицы. Однако, поглощая материю, черные дыры иногда излучают рентгеновские лучи, которые отражаются от вещества, падающего в них, и кратковременно освещают прилегающее пространство. Проанализировав «рентгеновское эхо» в восьми системах, ученые-астрономы из Массачусетского технологического института смогли создать модель окрестностей черных дыр статья вышла в The Astrophysical Journal.
Первым этапом исследования стал отбор релевантных объектов. Специалисты создали алгоритм, который был применен к имеющимся данным наблюдений NICER, с помощью рентгеновского телескопа с высоким разрешением по времени, находящегося на борту МКС, был разработан алгоритм, обнаруживший 26 двойных систем с черными дырами, ранее демонстрировавших вспышки рентгеновского излучения. Из этого числа команда выбрала десять систем, соответствующих требованиям по яркости и удаленности для последующего изучения рентгеновского эха.
Изучив полученные сигналы, исследователи классифицировали системы, выделив группы с близкими временными задержками между двумя видами рентгеновского излучения: излучением, исходящим от короны, и отраженным от аккреционного диска. По этой задержке возможно определить расстояние между этими структурами. Сравнивая рентгеновские эхо, полученные на различных стадиях вспышки, ученым удалось установить, как изменяется корона и как перемещается аккреционный диск.
Корона черной дыры представляет собой область плазмы с высокой энергией, расположенную вблизи горизонта событий. Исследования показали, что наиболее значительные изменения происходят в ней во время поглощения материи. Физики выделили два состояния, через которые проходит этот объект, и назвали их «жестким» и «мягким». Сначала черная дыра переходит в «жесткое» состояние, характеризующееся задержками длительностью в миллисекунды: в этот момент формируется корона, богатая фотонами высоких энергий, и испускается относительно слабый, равномерный поток частиц. Данное состояние сохраняется в течение нескольких недель.
В течение нескольких дней яркость дыры достигает пика, после чего она переходит в состояние с низкой энергией. В этот момент наблюдается кратковременное увеличение задержки сигнала, что указывает на увеличение расстояния между короной и диском. По всей видимости, корона существенно расширяется и вытягивается вертикально над дырой. Одновременно из полюса выбрасывается мощный джет, состоящий из высокоэнергетических частиц, а интенсивность равномерного потока уменьшается.
Предложенный метод позволит понять, как массивные черные дыры, расположенные в центрах галактик, могут выбрасывать вещество в межгалактическое пространство на значительные расстояния.
В нашей Галактике циркулирует огромное количество небольших черных дыр, их число оценивается в десятки миллионов. Эрин Кара отметила, что вклад этих черных дыр в развитие Галактики до сих пор остается предметом дискуссий в современной астрофизике (Erin Kara), как отмечает один из авторов новой работы. Заметно, что черные дыры в подобных двойных системах демонстрируют поведение, схожее с миниатюрными сверхмассивными черными дырами. Таким образом, исследование вспышек в компактных соседних системах позволит нам разобраться, как аналогичные вспышки сверхмассивных черных дыр воздействуют на галактики, в которых они расположены».