Стремительный газовый поток заслоняет сверхмассивную чёрную дыру

Учёные обнаружили в активной сейфертовской галактике явление экранирования, при котором мощный газовый поток блокирует большую часть рентгеновского излучения от сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики, пропуская только ультрафиолетовые лучи. Это поможет лучше изучить процесс взаимодействия сверхмассивных чёрных дыр с их родительскими галактиками.

Астрономы обнаружили странное и неожиданное явление вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики NGC 5548. Международная группа исследователей обнаружила массивный газовый поток, быстро исходящий наружу и блокирующий 90 процентов рентгеновского излучения от чёрной дыры. Изучение данного процесса позволит понять, как сверхмассивные чёрные дыры взаимодействуют со своими родительскими галактиками.


Открытие необычного явления в NGC 5548 является результатом кампании интенсивного наблюдения с использованием крупнейших орбитальных обсерваторий НАСА и Европейского космического агентства, в том числе телескопа Хаббл. В 2013 и 2014 годах международная команда провела самую широкую кампанию мониторинга активной галактики из всех когда-либо проводившихся. Были задействованы следующие космические обсерватории: мультизеркальный рентгеновский телескоп ЕКА Ньютон (XMM-Newton), космический телескоп НАСА/ЕКА Хаббл, обсерватория НАСА Свифт (Swift), ядерный спектроскопический телескоп НАСА NuSTAR, рентгеновская обсерватория НАСА Чандра (Chandra) и международная астрофизическая лаборатория гамма-излучения ЕКА ИНТЕГРАЛ (INTEGRAL).

Активной называется галактика, которая имеет активное галактическое ядро. Это компактная область в центре галактики с яркостью намного выше нормального уровня. Высокий уровень излучения, которое иногда охватывает весь электромагнитный спектр, предположительно является результатом наличия в ядре галактики сверхмассивной чёрной дыры, поглощающей массу из своего окружения.

Есть и другие галактики, у которых наблюдаются газовые потоки вблизи чёрной дыры, но это первый случай, когда поток движется вдоль нашей линии обзора.

По словам исследователей, это первое прямое доказательство давно предсказанного процесса экранирования, который необходим для ускорения сильных газовых потоков, или ветров, до высоких скоростей. "Это значимая веха в понимании того, каким образом сверхмассивные чёрные дыры взаимодействуют с их родительскими галактиками, – говорит Йелле Каастра из Нидерландского института космических исследований SRON, руководитель исследовательской группы. – Нам очень повезло. Обычно сложно увидеть событие такого рода в подобных объектах. Это свидетельствует о мощных ионизированных ветрах, которые позволяют сверхмассивным чёрным дырам в ядрах активных галактик выбрасывать большое количество вещества. В более крупных квазарах, чем NGC 5548, эти ветры могут регулировать рост как чёрной дыры, так и ее родительской галактики".

Считается, что взаимодействия между чёрными дырами и содержащими их галактиками имеют первостепенное значение в галактической эволюции.

Поскольку материя постепенно втягивается в чёрную дыру, она формирует плоский диск, известный как диск аккреции. Он нагревается настолько сильно, что испускает рентгеновские лучи вблизи чёрной дыры и менее энергетическое ультрафиолетовое излучение во внешних границах. Ультрафиолетовое излучение может создать достаточно сильные ветры, чтобы отбросить газ от чёрной дыры, который иначе попал бы в неё. Но ветры возникают лишь в том случае, если их исходная точка ограждена от воздействия рентгеновского излучения.

Ранее наблюдалось действие и рентгеновского, и ультрафиолетового излучения в областях тёплого газа на отдалении от чёрной дыры, но последние наблюдения показали наличие нового газового потока между диском и окружающим облаком газа. Недавно обнаруженный газовый поток в типичной сейфертовской галактике NGC 5548 – один из наиболее изученных источников данного типа за последние полвека – поглощает значительную часть рентгеновского излучения, прежде чем оно достигает окружающего газопылевого облака, защищая его от рентгена и пропуская только ультрафиолетовое излучение. Тот же самый поток защищает газ вблизи аккреционного диска. Это создаёт вероятность сильных ветров, и похоже, что защита от излучения действует уже на протяжении по меньшей мере трёх лет.

Непосредственно после наблюдения с помощью Хаббла галактики NGC 5548 22 июня 2013 года команда обнаружила в данных неожиданные особенности. "С момента последнего наблюдения Хаббла в 2011 году произошли кардинальные изменения. Мы увидели спектры гораздо более холодного газа, чем прежде, это говорит о том, что ветер успел остыть из-за сильного сокращения ионизирующего рентгеновского излучения от ядра", – сказал член команды Джерард Крисс из Научного института космического телескопа в Балтиморе, США.

Объединив и проанализировав данные, полученные от шести обсерваторий, команда учёных смогла сложить части головоломки воедино. Постоянный ветер в галактике NGC 5548, о котором было известно в течение примерно двух десятилетий, достигал скорости более 3,5 миллионов километров в час. Но теперь возник новый ветер, который намного мощнее и быстрее постоянного ветра.

"Новый ветер достигает скорости до 18 миллионов километров в час, но расположен гораздо ближе к ядру, чем постоянный ветер, – сообщил Каастра. – Новый отток газа блокирует 90 процентов низкоэнергетического рентгеновского излучения, исходящего из области вблизи чёрной дыры, и затеняет до одной трети области, которая испускает ультрафиолетовое излучение на расстоянии нескольких световых дней от чёрной дыры".

Сильное поглощение рентгеновских лучей ионизированным газом было замечено в нескольких других источниках, и это было приписано, в том числе, проходящим облакам. "Однако в нашем случае, благодаря объединенным данным от телескопов XMM-Newton и Хаббл, мы знаем, что этот быстрый поток исходящего газа очень близок к ядру", – сказал член команды Массимо Каппи из INAF-IASF, Болонья. "Он может даже исходить из аккреционного диска", – добавил другой учёный из команды Пьер-Оливье Петруччи, CNRS, IPAG, Гренобль.

Результаты исследований были опубликованы в сети Интернет в 19-м июньском номере журнала Science Express.

ЗХЖ