Záhadné zrychlení rentgenových záblesků z blízké supermasivní černé díry

Supermasivní černá díra 1ES 1927+654, o hmotnosti milionu Sluncí a vzdálená 270 milionů světelných let, zaměstnává astronomy již několik let. Po překvapivém zmizení její korony v roce 2018 (viz MIT News 2020) nyní vědci zaznamenali další neobvyklé chování.

Astronomové z MIT detekovali rentgenové záblesky z černé díry s postupně se zrychlující frekvencí. Během dvou let se perioda záblesků na milihertzových frekvencích zkrátila z 18 minut na 7 minut. Tak dramatické zrychlení dosud nebylo u černé díry pozorováno.

Výzkumníci prozkoumali několik scénářů, přičemž nejpravděpodobnějším zdrojem se jeví rotující bílý trpaslík – extrémně kompaktní jádro mrtvé hvězdy obíhající kolem černé díry a blížící se k horizontu událostí. Bílý trpaslík by musel provádět úchvatnou balanční akrobacii, pohybovat se na samotném okraji černé díry, aniž by do ní spadl.

„Bylo by to nejbližší těleso, o kterém víme, že obíhá kolem černé díry,“ říká Megan Masterson, doktorandka fyziky na MIT, která spoluvedla objev. „To nám říká, že objekty, jako jsou bílí trpaslíci, mohou přežívat velmi blízko horizontu událostí po relativně dlouhou dobu.“

Výsledky výzkumu byly prezentovány na 245. zasedání Americké astronomické společnosti. Pokud je bílý trpaslík zdrojem záhadných záblesků, měl by také vyzařovat gravitační vlny v rozsahu detekovatelném příští generací observatoří, jako je například Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Evropské kosmické agentury.

„Tyto nové detektory jsou navrženy k detekci oscilací v řádu minut, takže tento systém černé díry se nachází v ideálním bodě,“ říká spoluautorka Erin Kara, docentka fyziky na MIT.

Studie dále popisuje, jak v roce 2022 tým prozkoumal pozorování černé díry provedená pomocí rentgenové observatoře XMM-Newton Evropské kosmické agentury. Bylo zjištěno, že rentgenové záblesky z černé díry se objevovaly s narůstající frekvencí. Takové „kvaziperiodické oscilace“ byly pozorovány pouze u několika dalších supermasivních černých děr, kde se rentgenové záblesky objevovaly s pravidelnou frekvencí. V případě 1ES 1927+654 se však frekvence záblesků dramaticky zvyšovala.

„Nikdy jsme neviděli tak dramatickou variabilitu v rychlosti blikání,“ říká Masterson. „To absolutně nevypadalo jako normální supermasivní černá díra.“

Fakt, že blikání bylo detekováno v rentgenovém pásmu, silně naznačuje, že zdroj se nachází velmi blízko černé díry. Nejniternější oblasti černé díry jsou extrémně energetická prostředí, kde se rentgenové záření produkuje rychle se pohybující, horkou plazmou. Rentgenové záření je méně pravděpodobné ve větších vzdálenostech, kde se plyn může pohybovat pomaleji v akrečním disku.

Masterson a Kara zkoumali modely různých astrofyzikálních jevů, které by mohly vysvětlit pozorované rentgenové vzorce, včetně možnosti související s koronou černé díry. Další slibný scénář, a ten, u kterého vědci lépe chápou zapojenou fyziku, souvisí s bílým trpaslíkem. Podle jejich modelování by bílý trpaslík mohl mít asi desetinu hmotnosti Slunce, zatímco supermasivní černá díra sama o sobě má řádově 1 milion slunečních hmot.

Když se jakýkoli objekt dostane tak blízko k supermasivní černé díře, očekává se, že bude emitovat gravitační vlny, které ho přitáhnou blíže k černé díře. Při bližším oběhu se bílý trpaslík pohybuje rychleji, což může vysvětlovat zvyšující se frekvenci rentgenových oscilací.

Bílý trpaslík je prakticky na pokraji bodu, odkud není návratu, a odhaduje se, že je pouhých několik milionů kilometrů od horizontu událostí. Výzkumníci však předpovídají, že hvězda do černé díry nespadne. Zatímco gravitace černé díry může bílý trpaslík přitahovat dovnitř, hvězda také odhazuje část své vnější vrstvy do černé díry. Toto odhazování působí jako malý zpětný ráz, takže bílý trpaslík – sám o sobě neuvěřitelně kompaktní objekt – se může bránit překročení hranice černé díry.

Tým plánuje pokračovat v pozorování systému pomocí existujících a budoucích teleskopů, aby lépe porozuměl extrémní fyzice v nejvnitřnějších prostředích černé díry. Zvláště se těší na studium systému po vypuštění vesmírného detektoru gravitačních vln LISA – v současné době plánovaném na polovinu 30. let 21. století – jelikož gravitační vlny, které by systém měl vydávat, budou v ideálním bodě, který LISA dokáže jasně detekovat.