Ученые впервые смогли изучить детальное строение ближайшей зоны окружения черной дыры. Для этого они использовали метод рентгеновской реверберации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Черные дыры — космические объекты огромной плотности, поглощающие свет. Поэтому наблюдать их напрямую невозможно, но можно исследовать эти загадочные объекты, наблюдая за тем, как ведет себя материя, которая приближается и падает в них.

Когда материал движется по спирали к черной дыре, он нагревается до огромных температур в миллионы градусов и излучает рентгеновские лучи, которые, в свою очередь, отражаются частицами газопылевого облака, окружающего дыру.

Астрономы из Европейского космического агентства ESA с помощью рентгеновской обсерватории космического телескопа XMM-Newton впервые смогли использовать отражающиеся эхо-сигналы этого излучения для регистрации динамического состояния среды, окружающей черную дыру.

Ученые говорят, что этот метод, называемый реверберационным картированием, чем-то похож на эхолокацию, когда звуковые реверберации информируют нас о форме и структуре трехмерного пространства. Космическая эхолокация позволяет ученым "увидеть" невидимые элементы окружения черных дыр.

"Мы можем наблюдать, как эхо-сигналы рентгеновского излучения распространяются в окрестностях черной дыры в зависимости от геометрии области и состояния вещества", — приводятся в пресс-релизе ESAслова первого автора статьи астрофизика Уильяма Олстона (William Alston) из Кембриджского университета.

Для детального изучения исследователи выбрали сверхмассивную черную дыру в активном центре галактики IRAS 13224-3809, расположенной в созвездии Центавра на расстоянии около одного миллиарда световых лет от Солнца.

Они проанализировали данные реверберационного картирования, выполненного XMM-Newton за период с 2011 по 2016 годы. За это время IRAS 13224-3809 была захвачена космическим телескопом на 16 орбитах, а суммарное время наблюдений составило 23 суток.

Эта галактика является одним из самых изменчивых космических источников рентгеновского излучения. Ее вспышки "подсвечивают" окружающие скопления материи, что позволило ученым заглянуть в окрестности черной дыры и рассмотреть пульсацию ее "короны".

Исследователи увидели, как закручивающийся в спираль материал перед входом в черную дыру собирается в диск. Над этим диском находится область очень горячих электронов с температурой около миллиарда градусов, которая называется короной. Астрономы наблюдали в короне вспышку мощного рентгеновского излучения, когда яркость короны изменилась в 50 раз всего за несколько часов. Более того, обнаружилось, что синхронно с такими вспышками меняется и размер короны.

"По мере изменения размера короны световое эхо меняется, как если бы вы громко разговаривали в соборе, а его потолок двигался вверх и вниз, изменяя звучание вашего голоса, — объясняет Алстон. — Отслеживая световое эхо, мы не только следим за изменениями короны, мы можем гораздо точнее оценить значения массы и параметров вращения черной дыры, чем если бы мы наблюдали корону, не меняющуюся в размерах".

Исследователи надеются использовать тот же метод для картирования черных дыр в других галактиках. Измерение массы, скорости вращения и аккреции большой выборки черных дыр является ключом к пониманию гравитации во всем космосе, а также углублению знаний о том, как галактики образуются и развиваются с течением времени.

Уже сейчас сотни сверхмассивных черных дыр находятся в пределах досягаемости XMM-Newton. Еще больше их появится в поле зрения астрономов, когда в 2031 году на смену ему будет запущен новый космический телескоп "Афина" с чувствительностью в 100 раз больше, чем у XMM-Newton.