Гравитационное линзирование помогло измерить вращение сверхмассивных черных дыр

Астрофизики изучили линзированные рентгеновские изображения пяти квазаров — ядер активных галактик, в центрах которых находятся активно поглощающие вещество сверхмассивные черные дыры. Ученым удалось определить параметры падающего вещества в наиболее близких к центральному объекту областях, из которых можно определить скорость вращения самой черной дыры. Результаты представлены в The Astrophysical Journal.

Квазары — это исключительно яркие активные ядра галактик, в которых центральные черные дыры активно поглощают вещество. Считается, что квазары представляют собой отдельный период эволюции крупных галактик, так как большинство из них находится на космологических расстояниях от Млечного Пути. Одна из важнейших задач при изучении квазаров — определение вращения черных дыр, так как оно связано с историей роста таких объектов, взаимодействием с окружающим веществом, размером последней устойчивой орбиты и инициацией релятивистских струй, которые могут оказывать воздействие на всю родительскую галактику.

Падающее на черную дыру вещество образует разогретый аккреционный диск и еще более раскаленное и разреженное гало вокруг. Рентгеновское излучение центров активных галактик характеризуется нетепловым спектром со степенной зависимостью и хорошо объясняется моделью, где относительно холодный аккреционный диск является источником ультрафиолетовых фотонов, которые в процессе обратного комптоновского рассеяния на очень горячих электронах в гало приобретают дополнительную энергию.

Часть получающихся высокоэнергетических фотонов попадает обратно на аккреционный диск, создавая отраженное излучение, одним из основных компонентов которого является линия высокоионизованного железа Fe Kα с энергией 6,4 килоэлектронвольт. Свойства излучения в этой линии (уширение, колебания максимума и другие) давно используют для определения характеристик аккреционного диска и черной дыры. Считается, что эта линия возникает очень близко к центру системы, строгих доказательств этому нет.

Синьюй Дай (Xinyu Dai) и его коллеги изучили при помощи рентгеновского телескопа «Чандра» пять квазаров, свет от которых при движении к наблюдателю испытал гравитационное линзирование на массивных галактиках, в результате чего мы видим несколько изображений.

Авторы обратили внимание, что изученные объекты все отклоняются в одну сторону от эмпирической закономерности Ивасавы — Танигути, которая связывает эквивалентную ширину лини Fe Kα с рентгеновской светимостью. Оказалось, что у всех пяти объектов эквивалентная ширина, то есть ширина линии с максимальным поглощением, площадь которой (интегральный поток) такой же, как у данной, больше предсказываемой на основе установленной зависимости.

Астрономы считают, что данное отклонение объясняется микролинзированием, то есть гравитационным линзированием на не очень массивном объекте, например звезде, которое не приводит к искажению формы источника, но является причиной кратковременного повышения яркости. Авторы аргументируют эту интерпретацию тем, что микролинзирование усилит свечение более ярких самых центральных областей, а светимости разных изображений квазара оказываются различны.

В рамках этой гипотезы ученые оценили область излучения линии Fe Kα: половина света оказалась излучена с расстояния в 5,9 — 7,4 гравитационных радиусов черных дыр, что намного меньше, чем область генерации непрерывного рентгеновского излучения. Близость расположения к центральной черной дыре можно использовать для оценки скорости ее вращения, так как из-за эффекта Лензе — Тирринга вращающиеся черные дыры допускают вращение по более близким орбитам. Вращения во всех случаях оказались велики — значение соответствующего параметра оказалось выше 0,7 при предельном значении в единицу, а в случае объекта Q 2237+0305 больше 0,92.

Недавно астрономы выделили особую популяцию «холодных квазаров», которые заполнили пробел в эволюции массивных галактик. Многие параметры центральной сверхмассивной черной дыры мы узнали, получив первое прямое изображение тени такого объекта в галактике M87. В частности, ученым удалось оценить вращение этого объекта, которое тоже оказалось крайне высоким, хотя точность в данном случае оставляет желать лучшего.

Тимур Кешелава