Странное свечение может изменить наш взгляд на черные дыры
Что-то странное происходит в галактике, известной как 1ES 1927+654: в конце 2017 года по причинам, которые ученые не могут объяснить, сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре этой галактики, пережила массовый кризис идентичности. За несколько месяцев и без того яркий объект, настолько яркий, что он принадлежит к классу черных дыр, известных как активные галактические ядра (AGN), внезапно стал намного ярче, светясь почти в 100 раз ярче, чем обычно в видимом свете. Теперь международная группа астрофизиков, включая ученых из Калифорнийского университета в Боулдере, возможно, точно определила причину этого смещения. Линии магнитного поля, проходящие через черную дыру, перевернулись, что вызвало быстрое, но кратковременное изменение свойств объекта. Как будто компасы на Земле вдруг начали указывать на юг, а не на север.
Выводы, опубликованные 5 мая в The Astrophysical Journal, могут изменить взгляд ученых на сверхмассивные черные дыры, считает соавтор исследования Николас Скепи. «Обычно мы ожидаем, что черные дыры будут развиваться в течение миллионов лет», — сказал Сцепи, научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института Калифорнийского университета в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST). «Но эти объекты, которые мы называем AGN с изменяющимся видом, развиваются в течение очень коротких промежутков времени. Их магнитные поля могут быть ключом к пониманию этой быстрой эволюции». Сцепи вместе с стипендиатами JILA Митчеллом Бегельманом и Джейсоном Декстером впервые предположили, что такой магнитный триггер может появиться в 2021 году.
Новое исследование поддерживает эту идею. В нем группа под руководством Сибасиша Лаха из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА собрала самые полные данные об этом далеком объекте. Группа использовала наблюдения с семи массивов телескопов на земле и в космосе, отслеживая поток излучения от 1ES 1927+654, когда AGN ярко вспыхивал, а затем снова тускнел. Наблюдения показывают, что магнитные поля сверхмассивных черных дыр могут быть намного более динамичными, чем когда-то считали ученые. И, как заметил Бегельман, этот AGN, вероятно, не одинок. «Если мы видели это в одном случае, мы обязательно увидим это снова», — сказал Бегельман, профессор Департамента астрофизических и планетарных наук (APS). «Теперь мы знаем, что искать».
Необычная черная дыра
Бегельман объяснил, что AGN возникли в результате некоторых из самых экстремальных физических явлений в известной Вселенной. Эти монстры возникают, когда сверхмассивные черные дыры начинают притягивать огромное количество газа из окружающих их галактик. Подобно воде, вращающейся в канализации, этот материал будет вращаться все быстрее и быстрее по мере приближения к черной дыре, образуя яркий «аккреционный диск», который генерирует интенсивное и разнообразное излучение, которое ученые могут наблюдать с расстояния в миллиарды световых лет. Эти аккреционные диски также имеют любопытную особенность: они генерируют сильные магнитные поля, которые охватывают центральную черную дыру и, подобно собственному магнитному полю Земли, указывают в определенном направлении, например, на север или юг.
«Появляется все больше доказательств, полученных с помощью телескопа Event Horizon и других наблюдений, что магнитные поля могут играть ключевую роль во влиянии на то, как газ падает на черные дыры», — сказал Декстер, доцент APS. Это также может повлиять на то, насколько ярким AGN, вроде того, что находится в центре 1ES 1927+654, выглядит в телескопы. К маю 2018 года всплеск энергии этого объекта достиг пика, испуская больше видимого света, но и во много раз больше ультрафиолетового излучения, чем обычно. Примерно в то же время рентгеновское излучение AGN начало уменьшаться. «Обычно, если ультрафиолетовое излучение повышается, ваши рентгеновские лучи также повышаются», — сказал Сцепи. «Но здесь ультрафиолетовое излучение увеличилось, а рентгеновское сильно уменьшилось. Это очень необычно».
Переворачивание с ног на голову
Исследователи из JILA предложили возможный ответ на это необычное поведение в статье, опубликованной в прошлом году. Бегельман объяснил, что эти объекты постоянно притягивают газ из космоса, и часть этого газа также несет магнитные поля. Если AGN притягивает магнитные поля, направленные в направлении, противоположном его собственному — например, они указывают на юг, а не на север — тогда его собственное поле ослабнет. Это немного похоже на то, как команда перетягивания каната, тянущая веревку в одном направлении, может свести на нет усилия своих противников, тянущих в другую сторону. Команда JILA предположила, что с этим AGN магнитное поле черной дыры стало настолько слабым, что она перевернулась вверх дном. «По сути, вы полностью уничтожаете магнитное поле», — сказал Бегельман.
В новом исследовании исследователи под руководством НАСА намеревались собрать как можно больше наблюдений за 1ES 1927+654. Несоответствие между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением оказалось дымящимся пистолетом. Астрофизики подозревают, что ослабление магнитного поля вызовет именно такое изменение в физике AGN — смещение аккреционного диска черной дыры таким образом, что он излучает больше ультрафиолетового и видимого света и, как это ни парадоксально, меньше рентгеновского излучения. Никакая другая теория не могла объяснить то, что видели исследователи. Сам AGN успокоился и вернулся к нормальному состоянию к лету 2021 года. Но Сцепи и Бегельман рассматривают это событие как естественный эксперимент — способ исследовать вблизи черной дыры, чтобы узнать больше о том, как эти объекты питают яркие лучи излучения. Эта информация, в свою очередь, может помочь ученым точно определить, какие виды сигналов им следует искать, чтобы найти более странные активные ядра галактик в ночном небе. «Возможно, есть какие-то подобные события, которые уже наблюдались — мы просто еще не знаем о них», — сказал Сцепи.
