Секреты активных черных дыр

Сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах активных галактик поглощают огромные количества газа. Во время этого пиршества они роняют часть своей добычи, которая уносится во Вселенную, вырываясь из мощных турбулентных вспышек. Международная команда астрономов обнаружила некоторые удивительные особенности таких взрывов в далекой галактике. Они нашли чрезвычайно горячую корону, вращающуюся вокруг черной дыры, и потоки холодного газа в общей массе горячего смешанного газа, рвущиеся наружу со скоростями до 700 километров в секунду.

Хотя все знают, что черные дыры поглощают все, что им ни предложат, далеко не вся материя, находящаяся около них, оказывается их добычей. Газ и пыль, падающие на черную дыру, излучают в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. Это излучение может быть настолько мощным, что оно «отталкивает» часть материи, движущейся к черной дыре. В результате возникают потоки, направленные от дыры и имеющие скорость в сотни километров секунду. К такому выводу пришла команда астрономов, руководимая Желле Каастра из Нидерландского института космических исследований. Ученым удалось изучить и распознать структуру областей около одной из наиболее ярких черных дыр, известных человеку (разумеется, эта яркость и вызвана вырывающимися потоками и излучением). Черная дыра, расположенная в центре галактики Маркариан 509, имеет массу в триста миллионов Солнц.

Черная дыра Маркариан 509 окружена диском газа, светящегося в ультрафиолетовом спектре. Это излучение изменяется синхронно с излучением, наблюдаемым на короткой границе рентгеновского диапазона, имеющей энергию волны примерно в 100 раз больше, чем у видимого света. «Единственный способ объяснить это явление – это газ, имеющий температуру выше, чем в среднем у диска. Это так называемая корона, вращающаяся выше диска, – говорит Каастра. – Эта корона поглощает и перерабатывает ультрафиолетовое излучение от диска, увеличивая его энергию и переводя его в рентгеновский диапазон. Температура короны должна составлять несколько миллионов градусов. Используя пять космических телескопов, что позволило исследовать область около черной дыры с неслыханным разрешением, мы в самом деле обнаружили корону, находящуюся над диском. Это открытие позволяет нам хоть немного пролить свет на некоторые наблюдения активных галактик, которые до этого были совершенно необъяснимы».

Спектр излучения в рентгеновском диапазоне, полученный при помощи спектрометра RGS (Reflection Grating Spectrometer) космического телескопа XMM-Newton является лучшим, полученным для такого объекта. Он с высокой детализацией показывает газовую область около черной дыры. Впервые удалось показать, что восходящий поток состоит как минимум из пяти различимых компонент с температурами от 20000 до миллионов градусов. Не менее удивительные данные были получены в ультрафиолетовом диапазоне. Здесь отлично показал себя Хаббл, также оснащенный спектрометром (Cosmic Origins Spectrograph). Эти данные позволили различить холодные потоки газа около Маркариана 509. Было обнаружено 14 потоков с разными скоростями, наблюдаемых во внутренних областях галактики. Пока что только у семи таких потоков были измерены скорости.

Совместные рентгеновские и ультрафиолетовые данные показывают, что большая часть ускользающего от черной дыры газа вырывается из пыльного газового бублика, окружающего центральную область около нее, имеющую размер около 15 световых лет. Эти потоки газа состоят из плотных, холодных скоплений, заключенных внутри более горячего разреженного газа. «Даже на расстоянии 15 световых лет энергия, излучаемая (точнее, создаваемая при разных эффектах) черной дырой, настолько велика, что она выдувает газ из этого тора, окружающего диск падающего на дыру газа», – говорит Каастра.

Этот процесс влияет на состояние Вселенной около галактики. Межзвездный газ около Маркариана 509 сильно ионизован рентгеновскими лучами: атомы теряют часть или даже все свои электроны после облучения. Даже на расстоянии сотен тысяч световых лет от источника рентгеновское излучение видно через слои газа, падающего на галактику и, в конце концов, на черную дыру, со скоростью 200 километров в секунду. Этот газ может указывать на то, что когда-то давно Маркариан столкнулась с другой галактикой. Возможно, именно это и привело к невиданной активности данной галактики.

В исследовании было задействовано пять крупных космических телескопов – арсенал невиданной мощи. Их совместные наблюдения были организованы еще в 2009 году, но только сейчас астрономы обработали все данные. На острие атаки были европейские аппараты XMM-Newton и INTEGRAL, проводившие измерения в видимом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Они не упускали Маркариан из виду в течение шести недель. После этого галактика находилась под пристальным вниманием телескопа Чандра, которому помогал Хаббл. Перед тем, как нацелить эти четыре телескопа на Маркариан, поведение этой галактики было бегло изучено на всех длинах волн при помощи аппарата Swift.

Объединенные усилия этих телескопов и нескольких ученых позволили получить очень детальную картину происходящего в центре активной галактики.