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.

На 7-м семинаре консорциума Einstein Probe consortium в Пекине были представлены первые снимки неба в рентгеновском диапазоне, сделанные китайским рентгеновским телескопом «Зонд Эйнштейна» (Einstein Probe). Также на борту обсерватории установлен европейский прибор, который имеет особую ценность. Все снимки пока калибровочные. Научная работа обсерватории начнётся в середине июня. Но даже сейчас аппарат поражает своими возможностями.

Млечный Путь в рентгеновском свете (с наложением на оптическое). Источник изображения: Einstein Probe consortium

Обсерватория «Зонд Эйнштейна» была запущена в космос 9 января 2024 года с космодрома Сичан на юго-западе Китая с помощью ракеты «Чанчжэн 2C». Обсерватория расположилась на орбите Земли на высоте около 600 км. Научная работа рассчитана на три года наблюдений. За своё участие в проекте европейские учёные получат около 10 % рабочего времени обсерватории.

Основной поток данных будет генерировать широкоугольный китайский рентгеновский телескоп WXT (Wide-field X-ray telescope). Его поле зрения составляет 1345 квадратных градусов, что позволяет ему одним кадром захватывать площадь неба, равную 10 тыс. дискам полной Луны. Телескоп делает полный снимок неба каждые 5 часов, что позволит учёным обнаруживать массу переходных событий, которые раньше ускользали от них. Это джеты нейтронных звёзд, падение вещества на чёрные дыры, взрывы сверхновых и другие яркие в рентгеновском излучении события.

Европейский телескоп FXT (Follow-up X-ray Telescope) — это узконаправленный прибор с очень высокой чувствительностью в рентгеновском диапазоне. Если WXT найдёт что-то особенно интересное, FXT сможет рассмотреть это с превосходным разрешением. Также оба телескопа помогут в поиске объектов и событий, обнаруженных в других диапазонах, например, гравитационно-волновыми обсерваториями, гамма-телескопами и даже оптическими и инфракрасными телескопами.

Даже калибровочные снимки поразили учёных своей детализацией и возможностями. В процессе настройки бортовых систем и приборов обсерватория «Зонд Эйнштейна» обнаружила 19 февраля 2024 года первый переходный процесс и, позже, ещё 14 временных источников рентгеновского излучения, а также 127 вспышек звёзд. Можно только представить, какой поток ранее недоступной информации пойдёт с началом работы обсерватории через полтора месяца!

Остаток сверхновой Корма А в рентгеновском диапазоне

По масштабу это станет чем-то близким к началу работы «Уэбба», хотя, конечно, новые рентгеновские обсерватории запустили NASA и JAXA в добавок к уже летающим. Но такого масштабного проекта как «Зонд Эйнштейна» пока нет ни у кого. Используя опыт этой обсерватории, ЕКА планирует в будущем запустить собственную космическую рентгеновскую обсерваторию NewAthena. Однако пока этот проект не вышел из стадии обсуждения. В будущем NewAthena станет крупнейшей рентгеновской обсерваторией в истории.

Принцип работы рентгеновской оптики «глаз омара», из-за этого источники на снимках выглядят как «+»

Добавим, китайский телескоп Wide-field X-ray собирает рентгеновское излучении оптикой типа «глаз омара». Это трубчатые конструкции, которые за счёт отражения от внутренних стенок позволяют усиливать рентгеновский свет. Подробнее об этой оптике мы рассказывали раньше, например, здесь.

В ядре нашей галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая ведёт себя относительно тихо. Но учёные Страсбургского университета (Франция) доложили об обнаружении следов вспышки в рентгеновском диапазоне, которую крупнейшая чёрная дыра Млечного Пути произвела двести лет назад.

Источник изображений: astro.unistra.fr

В центре Млечного Пути, как и большинства других галактик, находится сверхмассивная чёрная дыра. Она называется Стрелец A*, её масса примерно в 4 млн раз превосходит солнечную, и она действительно ведёт себя относительно тихо по сравнению со своими сверстниками в других галактиках. Так было не всегда: есть подтверждения, что 6 млн и 3,5 млн лет назад Стрелец A* производила колоссальные вспышки излучения, сопровождаемые выбросами материи и ударными волнами, которые до сих пор можно засечь при наблюдении в некоторых диапазонах.

Несколько космических рентгеновских телескопов, включая IXPE, Chandra и XMM-Newton помогли обнаружить в окрестностях Стрельца A* гигантские молекулярные облака с неожиданно ярким свечением в рентгеновском диапазоне. При помощи IXPE была произведена оценка поляризации излучения, которая помогла выявить источник феномена — угол поляризации указал на Стрелец A*, а её степень продемонстрировала, какое расстояние преодолели эти облака с тех пор, как чёрная дыра их выбросила. Это, в свою очередь, помогло учёным понять, когда произошла вспышка — немногим менее двухсот лет назад.

Учёным удалось оценить и яркость вспышки: как выяснилось, в течение некоторого времени сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути сияла в рентгеновском диапазоне примерно в миллион раз ярче обычного. Так ярко светят ядра сейфертовских галактик — примерно как все звезды Млечного Пути вместе взятые. К сожалению, у астрономов XIX века не было возможностей зафиксировать это событие: рентгеновское излучение открыли лишь в конце века.

Знания об истории активности Стрельца A* помогут предсказывать будущее сверхмассивной чёрной дыры. В последние годы она испускает вспышки в рентгеновском и ближнем инфракрасном диапазонах — они могут быть предвестником нового периода повышенной активности Стрельца A*, но могут оказаться и следами попадания в неё неких заблудших объектов.

Учёные впервые получили рентгеновское изображение одиночного атома, выделив его среди сотен тысяч других рядом с ним. Подобно обычным рентгеновским снимкам из поликлиники, индивидуальная рентгеновская картинка атома может многое рассказать о нём, а это выведет анализ материалов и веществ на невероятный уровень и способно самым сильным образом повлиять на нашу с вами жизнь.

Источник изображения: Saw-Wai Hla

Учёные достаточно давно научились получать изображения отдельных атомов с помощью электронно-силовой микроскопии, но распознать в них отдельные химические элементы и тем более узнавать об их химической активности — это оставалось далеко за пределами мечтаний. Новый метод позволяет не только узнать атом какого элемента мы обнаружили, но также даёт информацию о его взаимодействии с другими элементами и то, насколько оно сильное.

Чувствительность аналитических приборов к одиночным атомам невозможно переоценить. Это может перевернуть мир, считают разработчики метода. Исследователи в области материаловедения и биохимии смогут узнать об образцах абсолютно всё, что поможет в поиске лекарств и в создании материалов с массой удивительных свойств.

Изображение молекулы с единственным атомом железа

Работу по исследованию свойств одиночных атомов представили химики из Китая, США и Франции. Статья вышла в издании Nature. Для эксперимента использовался синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории. С его помощью проводился рентгеноструктурный анализ образцов и, собственно, отдельных атомов.

Современная наука дошла до того, что рентгеноструктурный анализ определяет химические свойства веществ при исследовании как минимум 10 000 атомов в образце. Новая методика улучшает детектирование на четыре порядка, что кажется просто невероятным. Тем не менее, в образцах с ионами железа и катионами тербия учёные смогли уверенно детектировать сигналы от отдельных атомов железа и тербия. Более того, они получили из сигнала информацию о степени химической активности каждого из атомов и то, насколько сильно они взаимодействовали с окружающими их атомами других веществ.

Слева изображение молекулы с единственным атомом железа, а справа кривая тока через детектор, обнаруживающая железо и его химическую активность

Процесс анализа выглядел следующим образом. К образцу подводили кончик тончайшего зонда детектора и вели им над материалом в такой близости, чтобы электроны могли туннелировать с атомов на детектор (это расстояние в пределах нанометра). Сами электроны или, точнее — фотоэлектроны, выбивались рентгеновским излучением из атомов в образце. Поскольку электроны выбивались из так называемых остовных или нижних уровней, то по пути к детектору они проходили сквозь верхние орбитали и фактически собирали информацию о химической активности конкретного атома и о самом атоме. Атомы железа и тербия были надёжно детектированы этим методом, но для практического внедрения, вероятно, дело дойдёт ещё не скоро.

Американский космический телескоп NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) показал изображения Солнца, недоступные человеческому глазу — он зафиксировал несколько источников высокоэнергетического рентгеновского излучения в атмосфере звезды.

Изображение, составленное из снимков NuSTAR, XRT и SDO. Источник изображений: nasa.gov

Телескоп NuSTAR отправился в космос более десяти лет назад для изучения объектов за пределами солнечной системы — схлопнувшихся звёзд и массивных чёрных дыр, хотя и при наблюдениях за Солнцем он тоже оказался полезным. Аппарат отличает относительно небольшое поле зрения, из-за которого он не может захватить звезду целиком, поэтому полный снимок Солнца в реальности был составлен из 25 изображений, сделанных в июне 2022 года.

Снимок, сделанный NuSTAR

Совместно с ним опубликованы снимки, сделанные рентгеновским телескопом XRT на японском спутнике «Хинодэ», а также американской космической Обсерваторией солнечной динамики (SDO). Зафиксированное NuSTAR высокоэнергетическое рентгеновское излучение проявилось лишь на нескольких местах в атмосфере Солнца, тогда как доступное «Хинодэ» низкоэнергетическое рентгеновское и снятое SDO ультрафиолетовое присутствуют по всей поверхности звезды.

Снимки, сделанные NuSTAR (синий), XRT (зелёный) и SDO (красный)

Исследование, вероятно, поможет учёным разобраться, почему температура внешней части атмосферы Солнца — его короны — достигает миллиона градусов, то есть в 100 раз выше, чем на поверхности. Солнечное тепло исходит из его ядра и распространяется наружу, не давая исследователям покоя — это как если бы воздух вокруг костра вдруг стал в 100 раз горячее самого пламени.

Одним из вероятных объяснений считаются так называемые нановспышки, которые происходят намного чаще обычных «полномасштабных» вспышек — обычных не хватило бы для поддержания высокой температуры в короне. Отдельные нановспышки слишком слабы, чтобы их можно было обнаруживать в ярком солнечном свете, а полученная NuSTAR картина может указывать на большое их количество близко друг к другу. Возможно, теперь учёные поймут, как часто они происходят и как выделяют энергию.