Большая часть (или все) крупных галактик имеют в центре черные дыры массой, в миллионы раз превышающей массу Солнца. При падении материи на черную дыру центр галактики освещается мощным излучением, в миллиарды раз более ярким, чем излучение нашего светила. Такие активные галактические ядра давно изучаются для того, чтобы лучше понять, что же происходит на горизонте событий дыры.

«Наш анализ позволяет нам подойти к изучению черных дыр с новой стороны. Он подтверждает некоторые уже довольно старые идеи касательно активных галактических ядер и дает возможность прикинуть, что мы получим, когда вступит в строй новое поколение орбитальных рентгеновских телескопов», – говорит первый автор исследования, сотрудник Университета Мериленда Абдарахман Зогби.

Один из важных инструментов современного изучения активных галактических ядер – рентгеновское излучение, известное как широкая линия спектра железа. Возбужденные атомы железа излучают характерные рентгеновские лучи с энергиями в 6000-7000 эВ (в несколько тысяч раз более энергетическое, чем в видимом спектре), которые также называют линиями К железа.

Материя, падающая на черную дыру, собирается во вращающийся аккреционный диск. Здесь накапливающийся газ и пыль сжимается, нагреваясь, и рано или поздно достигает горизонта событий дыры – области, в которой притяжение черной дыры уже сильно настолько, что даже свет не может выбраться из нее. Поэтому данная область недоступна для изучения. Но аккреционный диск является мощным источником излучения, особенно его нижние слои. Рентгеновские лучи, испускаемые частицами в экстремальных условиях, воздействуют на внешние слои диска, приводя, в том числе, к возникновению линий излучения К железа. Характер сигнала позволяет судить о происходящем ближе к горизонту событий, там, где рождается первичное излучение. Это возможно потому, что вращение материи во внутренних областях происходит настолько быстро, что возникают релятивистские эффекты, влияющие на свойства вторичного излучения атомов железа. Каждый всплеск излучения приводит к увеличению интенсивности излучения железа, через промежуток времени, зависящий от толщины аккреционного диска. К сожалению, два использованных в исследовании телескопа – XMM-Newton и Чандра – недостаточно мощны, чтобы различить этот эффект для каждой вспышки.

Но вот комбинированное эхо нескольких вспышек может быть зафиксировано, если использовать достаточно большой объем данных. В качестве объекта исследования была выбрана галактика NGC 4151, расположенная на расстоянии 45 миллионов световых лет в созвездии Гончих псов. Это одно из самых ярких в рентгеновских лучах активных галактических ядер, и он плотно изучался при помощи телескопа XMM-Newton. Всего, начиная с 2000 года, галактика наблюдалась этим телескопом в течение 4 суток. Масса черной дыры, находящейся в центре, оценивается в 50 миллионов солнечных. Это говорит о крупном аккреционном диске, эхо в котором должно быть очень отчетливым. Анализ собранных данных подтвердил это предположение, доказав существование в аккреционном диске релятивистской реверберации – процесса образования эха и его связь с первичным излучением. Отставание эха и первичных вспышек в активном галактическом ядре составило более 30 минут. Путешествуя со скоростью света, рентгеновские лучи эха должны за это время пройти более 700 миллионов лишних километров – примерно 4 астрономические единицы – по сравнению с первичным излучением. Это указывает на то, что первичное излучение на самом деле образуется вне диска, ближе к нам. Источник рентгеновских лучей находится на некотором удалении от диска, что совпадает с предположением о его связи с потоками быстрых частиц. Первое эхо приходит от наиболее широкой линии излучения железа в спектре, оно вызывается самыми близкими к черной дыре областями рождения рентгеновского излучения, которые особенно хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.

Структура активного галактического ядра, несмотря на экстремальные условия в сердце галактики NGC 4151, может быть представлена при помощи Солнечной системы. Заменив Солнце черной дырой, горизонт событий расположится на полпути до Земли для быстро вращающейся дыры (больше для медленно вращающейся). Источник рентгеновских лучей и аккреционный диск находились бы  в районе середине главного пояса астероидов.  «Выделение эха рентгеновских лучей в галактике NGC 4151 – важное достижение. Эта работа выводит изучение активных галактических ядер на новый уровень, позволяя наблюдать окрестности сверхмассивных черных дыр», – говорит астрофизик Кимберли Уивер, сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда. Следующий уровень детализации и приближения к черной дыре можно ожидать только с появлением новых, более мощных телескопов, которые окажутся способны различить эхо одного рентгеновского всплеска.