Вчені виявили надмасивну подвійну чорну діру

0
543 views
Найщільніший і найдовший вид подвійної чорної діри в центрі активної галактики OJ 287 із радіо-до високої енергії
Рис. 1: Ліва панель показує глибоке ультрафіолетове зображення OJ 287 та її оточення, зроблене за допомогою Swift. Це одне з найглибших ультрафіолетових зображень цієї частини неба, яке коли-небудь було зроблено, поєднуючи 560 разових знімків. Найяскравішим джерелом в області є OJ 287. Саму область чорної діри неможливо розрізнити на УФ-зображенні. На правій панелі - зображення художника центру OJ 287, включаючи акреційний диск, струмінь і другу чорну діру, що обертається навколо основної чорної діри, яка має масу 100 мільйонів сонячних мас. © S. Komossa та ін.; NASA/JPL-Caltech

Міжнародна дослідницька група під керівництвом Стефані Комосса з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка в Бонні, Німеччина, представила нові важливі результати щодо галактики OJ 287, засновані на спостереженнях у областях спектру від радіо до високоенергетичних хвиль. Вчені змогли перевірити ключові прогнози бінарної моделі за допомогою багатьох інструментів спостереження, включаючи радіотелескоп Еффельсберг і обсерваторію Ніла Герельса Свіфта. Вперше було проведено незалежне визначення маси чорної діри в системі та можна було оцінити кількість речовини в диску, що оточує чорну діру.

Найщільніший і найдовший вид подвійної чорної діри в центрі активної галактики OJ 287 із радіо-до високої енергії
Рис. 1: Ліва панель показує глибоке ультрафіолетове зображення OJ 287 та її оточення, зроблене за допомогою Swift. Це одне з найглибших ультрафіолетових зображень цієї частини неба, яке коли-небудь було зроблено, поєднуючи 560 разових знімків. Найяскравішим джерелом в області є OJ 287. Саму область чорної діри неможливо розрізнити на УФ-зображенні.
На правій панелі – зображення художника центру OJ 287, включаючи акреційний диск, струмінь і другу чорну діру, що обертається навколо основної чорної діри, яка має масу 100 мільйонів сонячних мас.
© S. Komossa та ін.; NASA/JPL-Caltech

Результати показують, що надзвичайно масивна чорна діра, все ж не перевищує 10 мільярдів сонячних мас. Натомість результати віддають перевагу моделям з меншою масою первинної чорної діри в 100 мільйонів мас Сонця. У такий спосіб можна вирішити декілька видатних таємниць, у тому числі очевидну відсутність останнього великого спалаху OJ 287 (який наразі ідентифіковано) і механізм випромінювання, який багато обговорюється під час основних спалахів. Були отримані незалежні результати з фізики блазарів, які відстежують процеси поблизу зони запуску джету – надпотужного реактивного струменя.

Ці відкриття мають серйозні наслідки для теоретичного моделювання подвійних систем надмасивних чорних дір та їх еволюції, для розуміння фізики акреції та запуску реактивних струменів поблизу надмасивних чорних дір, для майбутнього визначення часу пульсарів у порівнянні з космічним виявленням гравітаційних хвиль від цієї системи та прямої просторової роздільної здатності цієї системи за допомогою телескопа Event Horizon або майбутнього SKA.

Висновки представлені у двох статтях, опублікованих у MNRAS Letters і Astrophysical Journal.

Блазари

Блазари — це галактики, які містять потужні, довгоіснуючі струмені релятивістських частинок, які запускаються в безпосередній близькості від їх центральної надмасивної чорної діри.

Коли дві галактики стикаються і зливаються, утворюються надмасивні подвійні чорні діри. Ці подвійні системи представляють великий інтерес, оскільки вони відіграють ключову роль в еволюції галактик і зростанні надмасивних чорних дір. Крім того, подвійні системи, що зливаються, є найгучнішими джерелами гравітаційних хвиль у Всесвіті. Майбутня наріжна місія ESA LISA (Laser Interferometer Space Antenna) спрямована на пряме виявлення таких хвиль у спектрі гравітаційних хвиль. Зараз повним ходом йде пошук надмасивних подвійних систем чорних дір.

OJ 287 — яскравий блазар у напрямку сузір’я Рака на відстані приблизно 5 мільярдів світлових років. Це один із найкращих кандидатів на компактну подвійну надмасивну чорну діру. Виняткові спалахи радіації, які повторюються кожні 11-12 років, є претензією OJ 287 на славу. Деякі з них настільки яскраві, що OJ 287 тимчасово стає найяскравішим джерелом такого типу на небі. Його повторювані спалахи настільки приголомшливі, що для їх пояснення в літературі було запропоновано та обговорено кілька різних бінарних моделей.

Коли друга чорна діра в системі обертається навколо іншої більш масивної чорної діри, вона накладає напівперіодичні сигнали на вихід світла системи, впливаючи або на струмінь, або на акреційний диск більш масивної чорної діри.

Однак досі не було прямого незалежного визначення маси чорної діри, і жодна з моделей не могла бути критично перевірена в кампаніях систематичних спостережень, оскільки ці кампанії не мали широкосмугового покриття, що включає випромінювання багатьох різних частот. Вперше було використано декілька одночасних рентгенівських, ультрафіолетових та радіоспостережень, а також оптичні та гамма-діапазони. Нові висновки стали можливими завдяки проекту MOMO («Багатохвильові спостереження та моделювання OJ 287»), який є одним із найщільніших і найтриваліших багаточастотних проектів моніторингу будь-якого блазара, що включає рентгенівські промені, і найретельніший за всю історію OJ 287.

Вивчення OJ 287

«OJ 287 — чудова лабораторія для вивчення фізичних процесів, які панують в одному з найбільш екстремальних астрофізичних середовищ: диски та струмені матерії в безпосередній близькості від однієї або двох надмасивних чорних дір, — каже Стефані Комосса з Інституту Макса Планка, перший автор двох досліджень. – Тому ми ініціювали проект MOMO. Він складається з високочастотних спостережень OJ 287 на більш ніж 14 частотах від радіо до режиму високої енергії, що триває протягом років, а також спеціальне спостереження на багатьох наземних і космічних об’єктах, коли блазар виявляють у виняткових станах » .

« Тисячі наборів даних уже зібрано та проаналізовано. Завдяки цьому OJ 287 виділяється як один із блазарів, які найкраще контролюються в режимі УФ-рентгенівських променів , – додає співавтор Алекс Краус з MPIfR. – Центральну роль у проекті відіграють радіотелескоп Effelsberg і космічна місія Swift».

Телескоп Effelsberg надає інформацію в широкому діапазоні радіочастот, тоді як обсерваторія Neil Gehrels Swift використовується для одночасного отримання ультрафіолетових, оптичних і рентгенівських даних. Було додано дані високоенергетичного гамма-випромінювання з космічної обсерваторії гамма-променів Фермі, а також радіодані з субміліметрової матриці (SMA) у Маунакеа на Гаваях.

Струмінь домінує в електромагнітному випромінюванні OJ 287 через його блазарну природу. Струмінь настільки яскравий, що перевершує випромінювання акреційного диска (випромінювання матерії, що потрапляє в чорну діру), тому спостерігати випромінювання акреційного диска важко або неможливо, як якщо б ми дивилися прямо на фару автомобіля. Однак через велику кількість спостережень MOMO, які щільно покривали світловий потік OJ 287 (нові спостереження майже через день за допомогою Swift), були виявлені «глибокі загасання». У цей час випромінювання струменя швидко зникає, що дозволяє дослідникам отримувати випромінювання з акреційного диска. Результати показують, що диск матерії, що оточує чорну діру, принаймні в 10 разів тьмяніший, ніж вважалося раніше. Це 46 ерг/с, що приблизно в 5 трильйонів разів перевищує яскравість нашого Сонця.

Визначення маси чорної діри

Вперше масу первинної чорної діри OJ 287 було визначено за рухом газоподібної матерії, пов’язаної з чорною дірою. Маса в 100 мільйонів разів перевищує масу нашого Сонця.

«Цей результат дуже важливий, оскільки маса є ключовим параметром у моделях, які вивчають еволюцію цієї подвійної системи: як далеко чорні діри розділені, як швидко вони зіллються, наскільки сильний їхній сигнал гравітаційної хвилі?» – коментує Дірк Групе з Університету Північного Кентуккі (США), співавтор обох досліджень.

«Нові результати означають, що винятково велика маса чорної діри OJ 287, яка перевищує 10 мільярдів сонячних мас, більше не розглядається; також не потрібен особливо яскравий диск матерії, що накопичується на чорній дірі», – додає Томас Крічбаум з MPIfR, співавтор статті ApJ. Результати скоріше на користь бінарної моделі скромнішої маси.

Дослідження також вирішує дві старі загадки: очевидну відсутність останніх яскравих спалахів, якими славиться OJ 287, і механізм викидів, що стоїть за спалахами. Спостереження MOMO дозволяють визначити точний час останнього спалаху. Це сталося не в жовтні 2022 року, як передбачала модель «великої маси», а скоріше в 2016-2017 роках, які MOMO широко висвітлювало. Крім того, радіоспостереження за допомогою 100-метрового телескопа Effelsberg показують, що ці спалахи не є тепловими за своєю природою, що означає, що струменеві процеси є джерелом енергії для спалахів.

Телескопи, які використовуються для спостережень
Телескопи, які використовуються для спостережень, включають два радіотелескопи, 100-метрову тарілку Еффельсберга в Німеччині та Submillimeter Array на Гаваях, крім того, дві супутникові обсерваторії: Фермі в діапазоні гамма-випромінювання та обсерваторія Ніла Герельса Свіфта в оптичному, ультрафіолетовому і рентгенівському режимах.
© NASA (супутникові знімки Fermi & Swift), Н. Юнкес (Еффельсберг), Дж. Вайнтруб (SMA).

Пошук подвійних систем

Результати MOMO впливають на поточні та майбутні стратегії пошуку додаткових подвійних систем за допомогою великих великих обсерваторій, таких як Event Horizon Telescope та, в майбутньому, SKA Observatory. Вони можуть уможливити пряме радіовиявлення та просторову роздільну здатність подвійних джерел в OJ 287 та подібних системах, а також виявлення гравітаційних хвиль від цих систем у майбутньому. OJ 287 більше не буде служити мішенню для датчиків часу пульсарів через отриману масу чорної діри в 100 мільйонів мас Сонця, але буде в межах діапазону майбутніх космічних обсерваторій (після злиття).

«Наші результати мають серйозне значення для теоретичного моделювання подвійних надмасивних систем чорних дір та їх еволюції, для розуміння фізики акреції та викиду матерії в околицях надмасивних чорних дір, а також для електромагнітної ідентифікації подвійних систем загалом» , – підсумовує Стефані Комосса.

⚡️ТГ-канал Зв'язок: секрети телефонів, приховані деталі тарифів на інтернет та зв'язок
Підпишись на канал Зв'язок!

Дивіться огляди: