Астрономы обнаружили необычную последовательность событий в центре галактики NGC 1275, расположенной в ядре скопления Персея. В начале 2023 года рентгеновское излучение активного ядра галактики резко усилилось примерно в два раза, причём наиболее заметные изменения происходили в течение нескольких дней. Примерно через 296 дней после рентгеновской вспышки наблюдения в радиодиапазоне зафиксировали новое усиление излучения.
Такая временная последовательность представляет особый интерес для изучения связи между веществом, падающим на сверхмассивную чёрную дыру, и релятивистскими струями плазмы — джетами, которые выбрасываются из центральной области галактики. Исследователи рассматривают обнаруженную задержку как возможный след распространения возмущения от окрестностей чёрной дыры к более удалённой радиоизлучающей области джета. При этом окончательная физическая интерпретация события пока не установлена.
NGC 1275 — необычная галактика в центре огромного скопления
NGC 1275 находится в центральной области скопления Персея и является его самой яркой галактикой. Это не спокойная эллиптическая система: вокруг неё наблюдается сложная структура газа, а центральное активное ядро связано с мощной радиодеятельностью.
В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Она окружена горячим веществом, которое постепенно теряет энергию и может перемещаться к центральному объекту. Часть этого вещества не обязательно пересекает горизонт событий. В активных галактических ядрах определённые физические процессы способны приводить к формированию узких потоков плазмы — джетов, движущихся на огромные расстояния от центральной области.
NGC 1275 особенно интересна тем, что её джеты оказывают заметное влияние на окружающую среду. Они создают большие пузыри в горячем внутрикластерном газе, а взаимодействие этих структур с окружающим веществом связано с эволюцией самой галактики и её центрального региона. Поэтому эта система представляет собой удобный объект для исследования того, как активность чёрной дыры связана с окружающей галактической средой.
Почему за чёрной дырой трудно наблюдать непосредственно
Главная проблема заключается в том, что NGC 1275 находится в очень ярком рентгеновском окружении. Скопление Персея заполнено горячей разреженной плазмой, которая сама излучает в рентгеновском диапазоне. Это затрудняет отделение слабых изменений излучения активного ядра от постоянного фонового сигнала скопления.
Телескопы с высокой угловой разрешающей способностью позволяют лучше разделять эти компоненты, однако для исследования быстрых изменений необходимы частые наблюдения. Именно поэтому в данном случае особую ценность получили многолетние наблюдения космической обсерватории Swift.
Исследователи использовали данные рентгеновского телескопа Swift/XRT, собранные примерно за два десятилетия. Всего анализ включал 89 наблюдений. Модель позволила отделить относительно постоянное рентгеновское излучение горячего газа скопления от изменяющейся компоненты, связанной с активным ядром. Типичная погрешность измерения переменной рентгеновской компоненты составляла около 3%.
Самая сильная зарегистрированная рентгеновская вспышка NGC 1275
Особенно интересное событие началось 21 февраля 2023 года. Рентгеновский поток от активного ядра увеличился примерно в два раза.
Это была самая сильная рентгеновская вспышка, зарегистрированная у NGC 1275 за время наблюдений. Важной особенностью события стала не только его интенсивность, но и скорость изменения яркости.
Вся вспышка продолжалась менее 60 дней, однако наиболее заметные изменения происходили значительно быстрее. Наблюдаемая структура события указывает как минимум на два отдельных пика, каждый продолжительностью примерно пять дней. Таким образом, центральная область галактики продемонстрировала изменения, происходившие на временных масштабах всего нескольких суток.
Что можно узнать по быстрой переменности
Быстрое изменение рентгеновского излучения означает, что значительная часть переменного сигнала должна формироваться в сравнительно компактной области. Если бы излучающая область была очень большой, информация о её изменениях не могла бы проявиться одновременно на столь коротком временном интервале.
Авторы исследования использовали продолжительность отдельных пиков для ограничения размера области, связанной со вспышкой. Полученная оценка соответствует компактной области в непосредственной окрестности сверхмассивной чёрной дыры либо части джета, а не огромной области галактики. При этом точное происхождение рентгеновских фотонов остаётся предметом обсуждения.
Это важная оговорка. Рентгеновская вспышка сама по себе ещё не доказывает, что всё излучение возникло непосредственно в короне вокруг чёрной дыры. Некоторые процессы могут происходить дальше вдоль джета, поэтому наблюдаемое событие необходимо рассматривать в контексте сразу нескольких возможных механизмов.
Почему учёные не считают вспышку гибелью звезды
Одним из первых вариантов, который можно было проверить, стало событие приливного разрушения звезды. Оно происходит, когда звезда подходит к сверхмассивной чёрной дыре настолько близко, что её разрывает приливное гравитационное поле.
Такие события действительно способны сопровождаться мощным рентгеновским излучением. Однако у них есть характерная временная зависимость: после резкого усиления яркость должна постепенно снижаться по определённому сценарию.
Поведение NGC 1275 оказалось несовместимо с простой картиной приливного разрушения звезды. В частности, спад зарегистрированной вспышки происходил существенно медленнее, чем ожидалось бы для обычного события такого типа. Поэтому приливное разрушение звезды рассматривается как маловероятное объяснение наблюдаемого эпизода.
Более вероятная связь с аккрецией
Наиболее естественным объяснением исследователи считают изменение процессов аккреции — то есть изменение количества вещества, поступающего к центральной чёрной дыре.
Когда скорость поступления вещества меняется, изменяются и физические условия в центральной области активного ядра. Это может отражаться на интенсивности рентгеновского излучения, которое связано с очень горячей плазмой вблизи чёрной дыры.
В пользу аккреционного происхождения говорят сразу несколько особенностей наблюдаемого события. Исследователи отмечают спектральные свойства рентгеновского излучения, его быструю изменчивость и наличие определённой линии железа. Однако эти признаки не позволяют полностью исключить процессы, происходящие уже внутри самого джета.
Именно поэтому корректнее говорить не о точно установленном механизме вспышки, а о наиболее вероятном сценарии, связанном с изменением поступления вещества к чёрной дыре или с процессами в джете.
Через 296 дней галактика снова стала ярче — уже в радиодиапазоне
Самое необычное в наблюдениях проявилось при сопоставлении рентгеновских данных с радиоизмерениями.
Примерно через 296 дней после начала рентгеновской вспышки наблюдалось усиление радиоизлучения на частоте 43 ГГц. Получается своеобразная последовательность: сначала активность проявилась в рентгеновском диапазоне, а спустя почти десять месяцев — в радиодиапазоне.
Сам временной интервал измерен непосредственно по наблюдениям. Но его физический смысл пока не установлен однозначно. Исследователи рассматривают несколько вариантов того, что именно может стоять за такой задержкой.
Возможный путь от центра чёрной дыры к джету
Одна из интерпретаций заключается в том, что рентгеновская вспышка и последующее радиоизлучение могут быть связаны с одним возмущением, которое последовательно проявилось в разных частях системы.
В этом случае сначала изменение физических условий возникает в области, расположенной близко к чёрной дыре. Затем возмущение распространяется наружу по джету. Когда оно достигает области, где возникают наблюдаемые радиоволны, радиоизлучение усиливается.
Тогда задержка почти в 300 дней становится своего рода космической меткой времени. Она потенциально позволяет оценить связь между двумя участками структуры, которые невозможно рассмотреть непосредственно с Земли.
Однако это именно возможная интерпретация. Из имеющихся данных нельзя с уверенностью утверждать, что наблюдаемое радиоизлучение является прямым продолжением именно этой рентгеновской вспышки.
Почему радиоизлучение возникает не там же, где рентгеновское
В активном галактическом ядре разные диапазоны электромагнитного излучения могут формироваться в разных физических областях.
Рентгеновское излучение способна производить горячая плазма в непосредственной близости от чёрной дыры. Радиосигнал, напротив, может возникать значительно дальше — внутри формирующегося и распространяющегося джета.
Поэтому один и тот же процесс способен выглядеть для удалённого наблюдателя как последовательность событий: сначала вспышка на высоких энергиях, затем, спустя некоторое время, усиление радиосигнала.
Именно такой сценарий позволяет использовать многодиапазонные наблюдения для изучения так называемой связи «диск — джет». Речь идёт о физической взаимосвязи между веществом, окружающим чёрную дыру, и струями плазмы, которые выбрасываются из центральной области.
Почему задержка в 300 дней так важна
Связь между аккреционным диском и джетом остаётся одной из сложных задач астрофизики активных галактических ядер. Мы можем наблюдать излучение системы, но не можем напрямую увидеть, как именно изменение условий возле чёрной дыры превращается в возмущение, распространяющееся на большие расстояния.
В этом отношении временная задержка особенно ценна.
Если будущие наблюдения подтвердят, что рентгеновские и радио-вспышки NGC 1275 действительно регулярно связаны между собой, а задержка имеет устойчивое значение, астрономы смогут использовать подобные события для исследования распространения возмущений внутри джета.
Это существенно отличается от обычного изображения джета на радиокартах. Статическое изображение показывает уже сформировавшуюся структуру. Временная последовательность различных вспышек позволяет наблюдать её развитие косвенно — сначала по сигналу из одной области, а затем по отклику другой.
Но одной вспышки недостаточно
Главное ограничение нынешнего результата состоит в том, что обнаружена одна особенно интересная временная связь. Кроме того, радиоизмерения NGC 1275 проводились не с такой плотностью, чтобы можно было полностью восстановить динамику события.
Поэтому пока нельзя утверждать, что задержка в 296 дней является универсальным временем прохождения сигнала от основания джета до радиоизлучающей области.
Возможны и другие варианты. Например, рентгеновская и радиоизлучение могут быть связаны с двумя процессами, происходящими в разных участках джета. Не исключено также, что часть рентгеновского излучения возникает не непосредственно в короне около чёрной дыры, а в более удалённой области струи.
Джеты чёрной дыры влияют на окружающее скопление галактик
Интерес к NGC 1275 связан не только с самой чёрной дырой. Активность центрального ядра влияет на газ, окружающий галактику.
Мощные джеты взаимодействуют с горячей плазмой внутрикластерной среды и создают в ней крупные пузыри. Таким образом, энергия, высвобождаемая в непосредственной окрестности сверхмассивной чёрной дыры, может переноситься далеко за пределы центральной области галактики.
Это создаёт важную связь между масштабами, которые на первый взгляд кажутся совершенно разными. Изменения в окрестностях объекта размером с центральную область активного ядра способны в конечном счёте влиять на газ, занимающий огромный объём внутри скопления галактик.
Такие процессы имеют значение для эволюции галактик. Активность центральной чёрной дыры способна воздействовать на окружающий газ и тем самым участвовать в регулировании условий, при которых газ может охлаждаться и участвовать в последующем звездообразовании. Именно поэтому понимание механизма работы джетов важно не только для физики чёрных дыр, но и для изучения эволюции галактик и скоплений.
Двадцать лет наблюдений помогли увидеть событие, которое легко пропустить
Одним из наиболее важных аспектов исследования стала не отдельная новая фотография, а длительный ряд наблюдений.
Сверхмассивные чёрные дыры не обязательно постоянно находятся в состоянии одинаковой активности. Их излучение может изменяться, причём некоторые изменения происходят значительно быстрее, чем обычно наблюдается в масштабах галактики.
Если телескоп наблюдает объект лишь изредка, короткую вспышку легко пропустить. Даже если она будет обнаружена, без данных до и после события сложно понять, насколько необычным было изменение.
Длительная последовательность наблюдений Swift позволила восстановить историю рентгеновской переменности NGC 1275 и обнаружить эпизод, который оказался самым сильным из зарегистрированных для этой галактики. В данном случае преимущество менее мощного, но регулярно использовавшегося инструмента оказалось особенно существенным: высокая частота наблюдений компенсировала недостаток углового разрешения.
Совместное наблюдение в разных диапазонах
Для исследования джетов особенно важны многоволновые наблюдения. Рентгеновские, радио-, оптические и другие данные позволяют изучать разные физические процессы и разные области одной системы.
В случае NGC 1275 именно сопоставление рентгеновской временной последовательности с радиоизмерениями позволило обнаружить необычную задержку.
Подобный подход может оказаться полезным и для других активных галактических ядер. Если удастся находить повторяющиеся пары вспышек с различными задержками, можно будет гораздо лучше исследовать физику формирования и распространения джетов.
Что уже установлено, а что пока остаётся гипотезой
Наблюдения позволяют достаточно уверенно разделить несколько уровней вывода.
Установлено, что в феврале 2023 года NGC 1275 пережила сильную рентгеновскую вспышку, во время которой рентгеновский поток увеличился примерно в два раза. Событие включало быстрые изменения с отдельными пиками продолжительностью около пяти дней.
Также установлено, что примерно через 296 дней после рентгеновского события было зарегистрировано усиление радиоизлучения на частоте 43 ГГц. Эти два факта непосредственно следуют из наблюдательного ряда.
Вероятным объяснением рентгеновской вспышки считается изменение аккреции на сверхмассивную чёрную дыру, хотя полностью исключить процессы в джете нельзя.
А вот физическая природа 296-дневной задержки остаётся открытым вопросом. Она может отражать распространение возмущения от центральной области к радиоизлучающему участку джета, но может быть связана и с другими процессами. Поэтому превращать обнаруженный интервал в точное измерение длины или скорости джета пока нельзя.
Что смогут показать дальнейшие наблюдения
Наиболее важным следующим шагом станет накопление новых многодиапазонных данных.
Если будущие рентгеновские вспышки будут сопровождаться радио-вспышками с похожей временной последовательностью, гипотеза о физической связи между аккрецией и джетом получит более сильную наблюдательную поддержку.
Особенно полезными будут регулярные наблюдения сразу в нескольких диапазонах. Тогда можно будет определить, какие изменения появляются первыми, сколько времени проходит до появления сигнала в других диапазонах и насколько стабильно это время от события к событию.
Такой мониторинг способен превратить разовую необычную вспышку в инструмент изучения динамики активного ядра.
Почему NGC 1275 остаётся удобной лабораторией
NGC 1275 уже известна своей мощной радиодеятельностью и влиянием центральной чёрной дыры на окружающий газ. Поэтому сочетание рентгеновского мониторинга и радиоизмерений даёт возможность одновременно изучать питание чёрной дыры, образование джетов и их взаимодействие с внутрикластерной средой.
Новое наблюдение не означает, что механизм запуска джетов окончательно разгадан. Напротив, оно показывает, насколько полезным может быть изучение времени между изменениями в разных диапазонах.
В конечном счёте астрономы стремятся получить более полную картину: как вещество, поступающее к сверхмассивной чёрной дыре, меняет состояние центральной области, каким образом это связано с формированием джета и как энергия джета затем передаётся окружающему газу.
В NGC 1275 впервые удалось особенно наглядно увидеть возможную последовательность этих процессов: сначала произошло сильное изменение рентгеновского излучения, а спустя почти год появился радиоотклик. Пока неизвестно, является ли это прямым проявлением движения возмущения вдоль джета, однако сама временная связь открывает новый способ исследовать одну из важнейших особенностей активных галактических ядер — связь между аккрецией вещества и мощными струями плазмы.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
