Астрономія
Астрономія

Астрономи вперше побачили рентгенівське світло за чорною дірою

За допомогою космічних телескопів NuSTAR та XMM-Newton вченим вдалося вперше побачити, як рентгенівське випромінювання може відбиватися і огинати надмасивну чорну діру — як відлуння. Через її гравітацію, що спотворює простір навколо, відлуння фотонів оминуло чорну діру, потрапивши в «об'єктиви» телескопів. Це явище передбачається загальною теорією відносності, а про спостереження вчені повідомили у Nature.

Ілюстрація околиць чорної діри, що поглинає на себе речовину / ESA

Ілюстрація околиць чорної діри, що поглинає на себе речовину / ESA

Як можна побачити світло з-за чорної діри?

«Визитівкою» чорних дір, яка точно всім знайома, є її нездатність відпустити від себе світло. Тому одразу підкреслюємо, що у цій роботі вчені побачили не фотонів-втікачів, які змогли вирватися з гравітаційного впливу чорної діри, а «відлуння» рентгенівського випромінювання з її акреційного диску. Так само як фото чорної діри з галактики М87, про яке детальніше ми розповідали у картках «Що таке чорна діра?», містить радіовипромінювання від газу, що навколо її тіні, тут телескопи впіймали корону чорної діри. Вона являє собою рентгенівське випромінювання від високоенергетичних частинок, коли значна кількість матерії починає падати на чорну діру. Спостереження показують, що в міру того, як речовина поглинається чорною дірою, яскравість цієї корони може падати або зростати більш як у сто разів. Але досі астрономи не бачили, щоб частина світла, відбита від газу, падала назад у чорну діру вдруге.Так, хоча світло не може покинути чорну діру,її надзвичайна гравітація спотворює простір навколо себе, що дозволяє йому «відбиватися», огинаючи задню частину діри.

Що побачили у телескоп?

Рентгенівські телескопи XMM-Newton від NASA та NuSTAR від ESA одночасно спостерігали за надмасивною чорною дірою, в десять мільйонів разів масивнішою Сонця, яка розташована в центрі сусідньої спіральної галактики I Zwicky в 1800 мільйонах світлових років від Землі. У період з 11 січня 2020 року по 16 січня 2020 вони фіксували жорстке випромінювання у рентгенівському діапазоні між трьома і 50 кілоелектронвольтами. Приблизно через 15 кілосекунд від початку спостережень почалися перші спалахи, тривалістю по десять кілосекунд кожний. Вони були приблизно у 2,5 рази потужніші за середній рівень випромінювання, а у міру їхнього згасання, вчені бачили серію коротких піків у потоці фотонів з синім зсувом, тобто зі зменшенням спостережуваної довжини хвилі, а пізніше — фотонів з червоним зсувом, при якому довжина хвилі випромінювання для телескопа збільшилася щодо довжини хвилі випромінювання, випущеного джерелом. Це і є повторна поява випромінювання зі зворотного боку акреційного диска в міру того, як лінія стає яскравішою (через гравітаційне лінзування).За словами дослідників, імовірність, що ці піки є наслідком шуму при вимірюваннях, складає менше 0,01 відсотка. Подібні піки виявляються під час обох спалахів. Так вони вважають, що спостерігають аналог реверберації, себто «післязвуччя», лінії флуоресценції заліза від акреційного диска під час спалахів, що підтверджується чисельним моделюванням.

Схема того, як рентгенівські промені оминули чорну діру / ESA

Схема того, як рентгенівські промені оминули чорну діру / ESA

Що це для нас значить?

Спостережуваний вченими рентгенівський спалах з I Zwicky був настільки яскравим, що частина рентгенівських променів обминала чорну діру, освітлюючи середовище за нею. Це перші прямі спостережні докази повторної появи випромінювання через чорну діру, викривлені в сторону точки зору телескопів через сильні гравітаційні викривлення світла. Ці спостереження також збігаються з передбаченнями Ейнштейна у загальній теорії відносності — фотони за нею цілком можуть огинати чорну діру з заднього боку диска. Також фотони з різних частин диска відчувають різні доплерівські зсуви через зміни променевої швидкості поперек диска, а також відчувають гравітаційний червоний зсув, що збільшується ближче до чорної діри. Таким чином, їхні енергетичні зрушення містять інформацію про положення на акреційному диску й такі відлуння, маючи різні «кольори», можуть підказати, що відбувається навколо чорної діри. Це можна буде використати для створення тривимірної карти околиць чорної діри.