Астрономы из Массачусетского технологического института, Колумбийского университета и других научных учреждений использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для наблюдения за чёрными дырами в пыльных галактиках.
В статье, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, исследователи сообщают, что JWST впервые зафиксировал несколько событий приливного разрушения. Это случаи, когда центральная чёрная дыра галактики притягивает близлежащую звезду и создаёт приливные силы, разрывающие звезду на части.
Учёные наблюдали около 100 событий приливного разрушения (TDE) с 1990-х годов, в основном в виде рентгеновского или оптического излучения, вспыхивающего в относительно свободных от пыли галактиках. Но, как недавно сообщили исследователи из Массачусетского технологического института, во Вселенной может быть гораздо больше событий разрыва звёзд, которые «скрыты» в более пыльных и окутанных газом галактиках.
В своей предыдущей работе команда обнаружила, что большая часть рентгеновского и оптического излучения, которое испускает TDE, может быть скрыта пылью галактики. Поэтому оно остаётся незамеченным традиционными рентгеновскими и оптическими телескопами. Однако этот же всплеск света может нагревать окружающую пыль и генерировать новый сигнал в виде инфракрасного излучения.
Теперь те же исследователи использовали JWST — самый мощный в мире инфракрасный детектор — для изучения сигналов из четырёх пыльных галактик, где, по их предположениям, произошли события приливного разрушения. Внутри пыли JWST обнаружил чёткие признаки аккреции чёрной дыры — процесса, при котором материал, такой как звёздные обломки, вращается и в конечном итоге падает в чёрную дыру.
Телескоп также обнаружил закономерности, которые разительно отличаются от пыли, окружающей активные галактики, где центральная чёрная дыра постоянно притягивает окружающий материал.
Вместе наблюдения подтверждают, что в каждой из четырёх галактик действительно произошло событие приливного разрушения. Более того, исследователи пришли к выводу, что четыре события были результатом не активных, а спящих чёрных дыр, которые практически не проявляли активности, пока мимо не пролетала звезда.
Новые результаты подчёркивают потенциал JWST для детального изучения скрытых событий приливного разрушения. Они также помогают учёным выявить ключевые различия в среде вокруг активных и спящих чёрных дыр.
«Это первые наблюдения JWST за событиями приливного разрушения, и они не похожи ни на что, что мы когда-либо видели раньше», — говорит ведущий автор Меган Мастерсон, аспирантка Массачусетского технологического института. «Мы узнали, что они действительно питаются за счёт аккреции чёрной дыры, и они не похожи на среду вокруг обычных активных чёрных дыр. Тот факт, что мы теперь можем изучать, как на самом деле выглядит среда со спящей чёрной дырой, является захватывающим аспектом».
Авторы исследования из Массачусетского технологического института — Христос Панайоту, Эрин Кара, Анна-Кристина Эйлерс, а также Кишалай Де из Колумбийского университета и сотрудники из множества других учреждений.
Наблюдение за светом
Новое исследование основано на предыдущей работе команды с использованием другого инфракрасного детектора — миссии NASA Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE). Используя алгоритм, разработанный соавтором Кишалай Де из Колумбийского университета, команда проанализировала десятилетние данные с этого телескопа в поисках инфракрасных «переходных процессов» или коротких всплесков инфракрасной активности в тихих галактиках, которые могли бы быть сигналами того, что чёрная дыра ненадолго просыпается и поглощает проходящую звезду.
В ходе поиска было обнаружено около десятка сигналов, которые группа определила как вероятные продукты события приливного разрушения.
«В этом исследовании мы нашли 12 источников, которые выглядят как TDE», — говорит Мастерсон. «Мы выдвинули множество аргументов о том, что сигналы были очень энергичными, а галактики до этого не выглядели активными, поэтому сигналы должны были быть вызваны внезапным TDE. Но кроме этих небольших фрагментов не было прямых доказательств».
С гораздо более чувствительными возможностями JWST исследователи надеялись различить ключевые «спектральные линии» или инфракрасное излучение на определённых длинах волн, которые были бы чёткими признаками условий, связанных с событием приливного разрушения.
«С NEOWISE наши глаза могли видеть только красный или синий свет, тогда как с JWST мы видим всю радугу», — говорит Мастерсон.
Настоящий сигнал
В своей новой работе группа искала пик инфракрасного излучения, который мог быть вызван только аккрецией чёрной дыры — процессом, при котором материал притягивается к чёрной дыре в циркулирующем диске газа. Этот диск производит огромное количество радиации, настолько интенсивное, что может выбивать электроны из отдельных атомов. В частности, такие процессы аккреции могут выбрасывать несколько электронов из атомов неона, а образовавшийся ион может переходить, испуская инфракрасное излучение на очень специфической длине волны, которую может обнаружить JWST.
«В Вселенной нет ничего другого, что могло бы возбудить этот газ до таких энергий, кроме аккреции чёрной дыры», — говорит Мастерсон.
Исследователи искали этот «дымящийся» сигнал в четырёх из 12 кандидатов в TDE, которых они ранее идентифицировали.
Четыре сигнала включают:
* Ближайшее к настоящему времени событие приливного разрушения, обнаруженное в галактике, удалённой от нас на 130 миллионов световых лет;
* TDE, который также демонстрирует всплеск рентгеновского излучения;
* Сигнал, который мог быть произведён газом, циркулирующим с невероятно высокими скоростями вокруг центральной чёрной дыры;
* Сигнал, который также включал оптическую вспышку, которую учёные ранее подозревали в том, что это сверхновая, или коллапс умирающей звезды, а не событие приливного разрушения.
«Эти четыре сигнала были настолько близки к тому, что мы могли бы назвать уверенным, насколько это возможно», — говорит Мастерсон. «Но данные JWST помогли нам окончательно сказать, что это настоящие TDE».
Когда команда направила JWST на галактики каждого из четырёх сигналов, в программе, разработанной Де, они обнаружили, что характерные спектральные линии появились во всех четырёх источниках. Эти измерения подтвердили, что аккреция чёрной дыры произошла во всех четырёх галактиках.
Но вопрос оставался: была ли эта аккреция временной особенностью, вызванной приливным разрушением и чёрной дырой, которая ненадолго проснулась, чтобы поглотить проходящую звезду? Или это была более постоянная черта «активных» чёрных дыр, которые всегда активны? В случае последнего было бы менее вероятно, что произошло событие приливного разрушения.
Чтобы дифференцировать эти две возможности, команда использовала данные JWST для обнаружения другой длины волны инфракрасного света, которая указывает на наличие силикатов или пыли в галактике. Затем они нанесли эту пыль на карту в каждой из четырёх галактик и сравнили закономерности с таковыми в активных галактиках, которые, как известно, содержат комковатые пылевые облака в форме бублика вокруг центральной чёрной дыры.
Мастерсон отметила, что все четыре источника показали очень разные закономерности по сравнению с типичными активными галактиками, что позволяет предположить, что чёрная дыра в центре каждой из галактик обычно не активна, а находится в спящем состоянии. Если вокруг такой чёрной дыры сформировался аккреционный диск, исследователи пришли к выводу, что это должно было произойти в результате события приливного разрушения.
«Вместе эти наблюдения говорят, что единственные вспышки, которыми могут быть эти вспышки, — это TDE», — говорит Мастерсон.
Она и её соавторы планируют обнаружить гораздо больше ранее скрытых событий приливного разрушения с помощью NEOWISE, JWST и других инфракрасных телескопов. По их словам, с достаточным количеством обнаружений TDE могут служить эффективными зондами свойств чёрных дыр. Например, сколько звезды разрывается на части и как быстро её обломки аккрецируются и поглощаются, может выявить фундаментальные свойства чёрной дыры, такие как её масса и скорость вращения.
«Фактический процесс поглощения чёрной дырой всего этого звёздного материала занимает много времени», — говорит Мастерсон. «Это не мгновенный процесс. И, надеюсь, мы сможем начать исследовать, сколько времени занимает этот процесс и как выглядит эта среда. Никто не знает, потому что мы только начали открывать и изучать эти события».
Это исследование частично финансировалось NASA.
Статья: «Первый взгляд JWST на события приливного разрушения: компактные, вызванные аккрецией линии излучения в инфракрасном диапазоне и сильное излучение силикатов в инфракрасном диапазоне в выборке, отобранной по данным инфракрасного излучения».