Большая работа потребовалась, чтобы обнаружить долгожданное «рентгеновское эхо», которое может стать удобным инструментом изучения сверхмассивных черных дыр.

Галактика NGC 4151 в созвездии Гончие Псы известна также как «Око Саурона». Это одна из самых ярких активных галактик
Сравниваются размеры активного центра NGC 4151 и орбиты планет Солнечной системы (размеры самих планет показаны не в масштабе). Таинственный рентгеновский источник показан ярким голубым цветом

Считается, что у большинства крупных галактик центр занимает сверхмассивная черная дыра массой в миллионы (а то и в миллиарды) раз больше Солнца. Огромные количества материи засасываются в их недра, разгоняясь и раскаляясь, из-за чего центры таких галактик очень ярко излучают во всех диапазонах. Исследования активных центров галактик позволяют лучше понять не только их рождение и эволюцию, и вообще узнать, что происходит в окрестностях этих колоссальных дыр.

«Наш анализ открывает новую возможность изучения черных дыр, он подтверждает давно озвученные гипотезы о происходящем в активных центрах галактик и дает ожидаемую картину при наблюдениях космическими рентгеновскими телескопами», — говорит Абдерахмен Зохби (Abderahmen Zoghbi), один из авторов работы.

Надо сказать, что при исследованиях активных центров галактик в рентгеновском диапазоне одной из важнейших деталей является «широкая полоса железа», которая считается ключевым признаком наличия в них быстро вращающихся сверхмассивных черных дыр. Вещество, падающее в такую черную дыру, вовлекается во вращение и формирует раскаленный аккреционный диск. Некий (пока неясный) источник рентгеновского излучения в непосредственной окрестности дыры «подсвечивает» этот диск изнутри, возбуждая присутствующие в нем атомы железа, которые начинают испускать фотоны с энергией 6−7 кэ*В. Скорость движения частиц во внутренних слоях аккреционного диска так велика, что на ширину их спектра сильное влияние оказывают эффекты Теории относительности.

В связи с этим можно предположить, что характерная широкая полоса железа будет обнаруживаться в спектре активного центра галактики некоторое время спустя после вспышки соответствующего рентгеновского источника — время, необходимое излучению на то, чтобы достичь аккреционного диска и возбудить его атомы. И если источник светится то ярче, то слабее, то и «рентгеновское эхо» в аккреционном диске будет мерцать. К сожалению, возможностей существующих орбитальных рентгеновских телескопов — европейского XMM-Newton и американского Chandra — недостаточно для того, чтобы зафиксировать это «мерцание».

Однако Абдерахмен Зохби с коллегами решили, что если выбрать подходящий объект наблюдений и собрать большой массив данных, то анализ позволит выявить «рентгеновское эхо». Таким объектом стал активный центр галактики NGC 4151, расположенной в 45 световых годах от нас — знаменитого «Ока Саурона». В рентгеновском диапазоне это один из самых ярких галактических центров, известных нам. Расчеты показывают, что находящаяся в нем сверхмассивная черная дыра должна иметь массу порядка 50 млн солнечных и внушительных размеров аккреционный диск, способный создавать длительное и сильное «рентгеновское эхо».

Начиная с 2000 г. зонд XMM-Newton провел интенсивные наблюдения этого объекта, набрав внушительный объем данных. Именно они были использованы авторами работы, которые, проанализировав спектр центра NGC 4151, сумели выявить в нем ясные черты «рентгеновского эха». Амплитуда его колебалась с задержкой чуть более 30 минут после исходной вспышки — для фотонов, движущихся со световой скоростью, это дает расстояние более 600 млн км, которое разделяет сам рентгеновский источник и аккреционный диск, отзывающийся эхом на его вспышки. Авторы работы полагают, что источник находится где-то над плоскостью диска. Активность сверхмассивных черных дыр приводит к появлению релятивистских джетов — мощных и узких струй частиц и излучения, исходящих из окрестностей дыры в плоскости, перпендикулярной плоскости ее вращения. Рентгеновские вспышки могут рождаться где-то в них, причем, судя по цифре, полученной учеными, не слишком близко к началу джета.

Интересно, что вся эта экстремальная активность в сердце галактики NGC 4151 сконцентрирована в пространстве, сравнимом в размерах с нашей Солнечной системой. Если в центр этой картины поместить Солнце, то горизонт черной дыры будет вдвое меньше орбиты Земли, а расстояние от рентгеновского источника до аккреционного диска примерно равно дистанции от Солнца до пояса астероидов — всего вчетверо больше расстояния от Солнца до нас.

По пресс-релизу NASA