«Взвешивание» двойных черных дыр в центрах галактик новым методом

Информация о результатах этой работы размещена на сайте МГУ

При наблюдениях галактик всегда привлекали внимание бурные взрывные процессы. Долгое время быстрые изменения яркости центральных частей галактик, так называемая «активность ядер галактик» (АЯГ), оставалась загадкой. В настоящее время такую активность связывают с черными дырами (ЧД) в центрах галактик. За последние два года понимание активности АЯГ переживает необычайный прогресс, который связан с революционным открытием двойных ЧД в ядрах галактик. Многочисленные сообщения об открытии двойных ЧД в центрах галактик посыпались как из рога изобилия начиная с конца 2021 г. На данный момент их численность уже составляет более ста надежно установленных двойных ЧД. С накоплением такого количества подобных объектов наступил переломный момент… Игнорировать такие объекты уже было никак нельзя, и возникла острая необходимость в их исследовании, в том числе был поставлен насущный вопрос о взвешивании таких ЧД и их происхождении.

Следует особо указать, что ЧД в центрах галактик необычайно тяжелые. Их масса достигает миллиардов масс Солнца (1 Mʘ=1033 г) и выше. Одна из таких двойных ЧД была открыта в центре галактики OJ 287, ярчайшей представительнице АЯГ. Удачно сложилось, что этот объект наблюдается в оптическом диапазоне уже более 100 лет. Этому способствовала яркость объекта и отсутствие значительных пылевых масс в направлении на источник. Эта галактика находится на расстоянии 3.5 миллиарда световых лет от Земли, что сравнительно недалеко по меркам Вселенной, но их оптические изображения все же не позволяли опознать в ее центре двойной объект. Тем не менее, двойственность СМЧД в центре АЯГ OJ 287 была заподозрена еще в конце прошлого века из-за строгой периодичности (12 лет) оптических всплесков излучения. В отличие от этого, у обычных ядер галактик (с одной ЧД в их центре) активность проявляется в виде спорадических вспышек, т.е. носит случайный характер. Кроме того, периодическая кривая блеска OJ 287 имеет двойной пик, который сразу указывает на двойственность объекта.

К вопросу о двойственности объекта OJ 287 [красными стрелками показаны точки на диске вокруг «большей» ЧД, в которых ее пересекает орбита «малой» ЧД вблизи перицентра; эксцентриситет орбиты e=0.65 (Valtonen et al., 2012)]. Внизу слева: Двойной пик оптической кривой блеска в момент прохождения перицентра. Справа: оптическая кривая блеска OJ 287 (1888 — 2021 гг.) с явной периодичностью

Сейчас известно, что ядро этой галактики представляет собой двойную систему, состоящую из двух сверхмассивных ЧД (СМЧД), вращающихся вокруг их общего центра масс и находящихся на стадии эволюции, близкой к слиянию. Более того, эта система классифицирована, как «тесная» двойная система (ТДС), акцентируя, что между компонентами такой двойной системы происходит обмен массой. Это, в свою очередь, поставило перед теоретиками сложнейшую задачу: объяснить возможность обмена веществом между двумя ЧД. Сложность задачи состояла в том, что, по определению, ЧД не выпускает никакое вещество из своих «лап гравитации»... И даже свет не может вырваться из-под горизонта событий ЧД. Предположение обмена массой в ТДС из черных дыр ставит эту задачу в один ряд с испарением черных дыр по Хокингу.

Эта задача была блестяще решена в недавней публикации Titarchuk L., Seifina E., Shrader Ch. «OJ287: a new BH mass estimate of the secondary», Astronomy and Astrophysics, 2023, том 671, с. 159, DOI: 10.1051/0004-6361/202345923, на основе анализа рентгеновских наблюдений OJ287 с борта космической обсерватории Swift. Показано, что обмен веществом в этой ТДС действительно имеет место и именно он вызывает рентгеновские вспышки. По этим вспышкам и удалось взвесить одну из СМЧД такой системы в OJ287 методом «скалирования», который впервые был применен для решения задачи об оценке массы компонентов такой пары по рентгеновским данным.

Схематическое представление двойной системы из сверхмассивных черных дыр, образующих орбитальную пару, расположенную в ядре галактики OJ 287. При этом «первая» ЧД окружена аккреционным диском. «Вторая» ЧД (~108 Mʘ) вращается вокруг «первой» ЧД (~1010 Mʘ), дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. В момент прохождения малой ЧД через диск вокруг большой ЧД происходит вспышка в рентгеновском, оптическом и радио диапазонах

Мы сосредоточились на строгой повторяемости вспышек этого объекта и предположили, что рентгеновские вспышки связаны с орбитальным движением в двойной системе, а именно вращением «второй» (более легкой) ЧД вокруг «первой» (более тяжелой) ЧД. При этом она дважды пронзает аккреционный диск «первой» ЧД (показан синим цветом) каждые 12 лет. Когда малая ЧД проходит через диск вокруг большой ЧД происходит «прокалывание» близлежащей к траектории малой ЧД части этого диска и, возможно, подпитка окружающим веществом небольшого аккреционного диска малой ЧД (показан оранжевым цветом).

Мы также предположили, что при прохождении малой ЧД через диск тяжелой ЧД происходит деформация и разрушение окрестной части диска в сильном гравитационном поле малой ЧД. При этом формируется мощный «временный» диск из вращающегося вещества вокруг малой ЧД с последующей аккрецией/падением вещества ее «временного» диска на малую ЧД. Тогда и происходит яркая рентгеновская вспышка из-за разогрева при вязком трении неоднородных слоев вращающегося/падающего вещества «временного» диска и малая ЧД обнаруживает себя для земного наблюдателя в виде вспышки.

Уникальное поведение фотонного индекса Г в спектре OJ287 во время вспышки и его «скалирование» при нарастании рентгеновского потока в единицах L39/D210 (где L39 — светимость в единицах 1039 эрг/с и D10 — расстояние до источника в единицах 10 кпс) для OJ 287 (красная линия) с использованием данных для внегалактических источников, ESO 243–49 HLX–1 и M101 ULX–1 (синие и зеленые точки, соответственно)

При исследовании последней из таких вспышек по данным Swift/XRT мы впервые обнаружили уникальное поведение спектра OJ287 во время развития вспышки, а именно монотонный рост фотонного индекса Г при нарастании яркости объекта (начало вспышки) и выход на «плато» (или «насыщение») индекса Г во время максимума рентгеновской вспышки. При этом излучение объекта анализировалось в моделях первых принципов с учетом комптонизации фотонов аккреционного диска (АД) вокруг ЧД на горячих электронах внутренних слоев АД и сходящегося на ЧД релятивистского потока.

Известно, что такое уникальное поведение Г является спектральным признаком наличия ЧД в системе (см. www.astronet.ru/db/msg/1308165). И мы пришли к заключению, что «виновником» рентгеновских вспышек объекта OJ 287 является орбитирующая малая ЧД. Для ее «взвешивания» впервые использовался метод «скалирования» с галактическими и внегалактическими ЧД.

Нам впервые удалось вскрыть природу рентгеновских вспышек в OJ287 на основе спектрального анализа рентгеновского излучения. При этом использовались последние достижения моделирования состояний ЧД методом Монте-Карло на основе численного решения полного релятивистского кинетического уравнения и обнаружения фазы «насыщения» спектрального индекса в максимуме рентгеновской вспышки ЧД.

Метод был разработан и протестирован нами на множестве астрофизических объектов и показал превосходное согласие с классическими методами. Результаты опубликованы в серии статей [Seifina & Titarchuk (2010, ApJ, 722, 586); Seifina et al. (2014, ApJ, 789, 57); Titarchuk & Seifina (2016, A&A, 585, 94; 595, 101); Titarchuk & Seifina (2017, A&A, 602, 113); Seifina et al. (2017, A&A, 607, 38); Seifina et al. (2018, A&A, 613, 48; 619, 21); Titarchuk et al. (2020, A&A, 633, 73); Titarchuk & Seifina (2023, A&A, 669, 57; 671, 159)]. Метод основан на первых принципах и оценке гравитационного воздействия ЧД на вещество вокруг нее, а также вычислении эффективного размера и массы зоны отклика на подобное воздействие. С помощью этого метода мы нашли, что масса малой ЧД в OJ 287 составляет M ~ 1.25x108 Mʘ. Это значение блестяще согласуется с предыдущими оценками [Valtonen et al. (2012)].

Следует особо указать, что галактики — это огромные структуры и их взвешивание, в частности взвешивание их двойных ядер, представляет собой нетривиальную задачу. Причем всегда желательно взвешивание принципиально разными способами для надежности подобных оценок. Отметим, что предыдущие методы базировались на множестве модельных предположений и допущений. Поэтому взвешивание ЧД в OJ287 новым методом и его согласие с другими оценками дает уверенность в корректности подхода в целом и полученных знаний о том, как устроен мир вокруг нас.

Е.В. Сейфина, д.ф.-м.н, ведущий научный сотрудник кафедры звездной астрофизики Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ