У чёрных дыр есть «сердцебиение», и астрономы разобрались в его природе

Небольшая доля известных чёрных дыр излучает сигналы в рентгеновском диапазоне, структура которых напоминает человеческое сердцебиение. Китайские учёные в новом исследовании, возможно, нашли объяснение этому странному явлению.

Поглощение вещества чёрной дырой в объекте Лебедь X-1. Источник изображения: icrar.org

Чёрные дыры хотя и не являются живыми объектами, у них может быть своё сердцебиение, если они поглощают большие объёмы газа. И авторы нового исследования попытались разобраться в этом процессе. Когда чёрная дыра находится в двойной системе, то есть делит орбиту со звездой, она вытягивает из своего компаньона газ. Когда это происходит, газ сжимается и нагревается до чрезвычайно высоких температур, испуская при этом интенсивное рентгеновское излучение. Этот процесс, например, помог идентифицировать чёрные дыры в Лебеде X-1 — одном из самых ярких источников рентгеновского излучения на небе.

При этом интенсивном поглощении вещества, которое может продолжаться тысячи и даже миллионы лет, иногда может происходить колоссальный выброс — внезапная рентгеновская вспышка, вызванная быстрым потреблением огромного количества вещества за один раз. В такой вспышке оказывается встроен регулярный импульс активности, который учёные сравнивают с сердцебиением, потому что его схема напоминает человеческую ЭКГ с медленным нарастанием, быстрым спадом и последующим возвращением к норме.

Астрономы Основной лаборатории астрофизики элементарных частиц Китайской академии наук в Пекине изучили последнюю такую вспышку и описали процесс, который может её подпитывать. Эту вспышку произвела чёрная дыра IGR J17091-3624 на расстоянии 28 000 световых лет от Земли — данные были получены при помощи телескопов Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) и Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) в 2022 году. В яркой вспышке астрономы обнаружили явные доказательства присутствия сигнала, похожего на сердцебиение. Изучая его свойства, они пришли к выводу, что эти виды импульсов вызваны взаимодействиями и нестабильностью в веществе, которое окружает чёрную дыру.

Когда вещество падает в чёрную дыру, оно сжимается и формирует тонкий диск, который быстро вращается. Внутренний край этого диска наклонён к горизонту событий, а остальная его часть светится в рентгеновском диапазоне. Образуется нестабильность — излучение диска вступает в противодействие с гравитацией чёрной дыры. При возникновении сердцебиения диск фрагментируется, теряет связность, а к чёрной дыре устремляется большой сгусток вещества. Он производит интенсивное излучение, которое оказывается началом сердцебиения. Это излучение нагревает газ, что временно препятствует его падению. Далее газ успокаивается, и процесс повторяется, подготавливая почву для другого цикла сердцебиения. Такие сигналы чрезвычайно редки — их показали лишь две чёрные дыры, — но учёные надеются продолжить изучение этого явления, поскольку оно даёт ценную информацию о связи чёрных дыр и их окружения.