Американские ученые с помощью космических орбитальных обсерваторий NASA Chandra и Swift запечатлели яркое кратковременное явление — последовательность концентрических колец вокруг черной дыры, представляющих собой эхо от рентгеновских вспышек. Подобные изображения гигантских колец позволяют получить новую информацию о пыли, содержащейся в нашей Галактике.
Черная дыра, о которой идет речь, входит в двойную систему под названием V404 Cygni, она расположена на расстоянии примерно в 7800 световых лет от Земли в созвездии Лебедя. Эта черная дыра массой в 12 солнц активно поглощает вещество своей звезды-компаньонки массой примерно в половину массы Солнца, в результате чего вокруг изначально невидимого объекта возникает аккреционный диск, ярко светящийся в рентгеновских лучах. Астрономы называют такие системы рентгеновскими двойными звездами.
Аппарат Swift, специализирующийся на отслеживании кратковременных явлений, зафиксировал вспышку рентгеновского излучения от V404 Cygni. Расходящиеся концентрированные кольца представляют собой ни что иное, как световое эхо. Подобно тому, как звуковые волны, отражающиеся от стен каньона, повторно доходят к слушателю, световое эхо вокруг V404 Cygni возникает за счет того, что рентгеновское излучение из системы черной дыры отражается от пылевых облаков, расположенных между V404 Cygni и Землей. Космическая пыль, конечно, мало похожа на знакомую нам бытовую пыль и состоит из мельчайших твердых частиц размером от нескольких молекул до 0,2 мкм самого разного состава.
На новом составном изображении снимки от рентгеновской обсерватории Chandra — светло-голубой цвет — были объединены с оптическими данными от телескопа Pan-STARRS на Гавайях, что позволяет увидеть звезды, находящиеся в том же поле зрения. Изображение содержит восемь отдельных концентрических колец. Набор этих колец появился в результате серии рентгеновских вспышек от V404 Cygni и отразившихся от окружающих пылевых облаков.
Группа американских ученых под руководством Себастьяна Хайнца из Висконсинского университета в Мадисоне проанализировала 50 наблюдений Swift, сделанных в 2015 году в период с 30 июня по 25 августа. Chandra наблюдала ту же систему 11 и 25 июля. Это было настолько яркое событие, что операторы Chandra предприняли специальные меры для того, чтобы очередная яркая вспышка на V404 Cygni не повредила их приборы.
Кольца рассказывают астрономам не только о поведении черной дыры, но и об окружающих пылевых структурах. Так, например, диаметр колец на снимках в рентгеновских лучах позволяет оценить расстояние до промежуточных пылевых облаков, от которых «срикошетил» свет. Если облако находится ближе к Земле, то кольцо кажется больше, и наоборот. Световые эхо выглядят как узкие, а не широкие кольца или ореолы, потому что каждая вспышка рентгеновского излучения длилась относительно короткий промежуток времени. Рассеяние рентгеновских лучей на пыли от ярких точечных источников — хорошо известное и широко изучаемое явление. Для стационарных источников рассеяние как раз и приводит к образованию обычного диффузного ореола.
Исследователи воспользовались также снимками этих колец для того, чтобы изучить свойства самих пылевых облаков. Они сравнили рентгеновские спектры, то есть яркость рентгеновских лучей в определенном диапазоне длин волн, с компьютерными моделями, рассматривающими пыль различного состава. Разный состав пыли приводит к изменению процентного состава поглощаемых рентгеновских лучей с разной энергией, аналогично тому, как в рентгеновские сканерах в аэропортах разные части наших тела или багажа поглощают разное количество рентгеновских лучей, что дает информацию об их структуре и составе.
Группа определила, что окружающая объект пыль скорее всего состоит из смеси графитовых и силикатных частиц. Соответствующий анализ и моделирование группа Себастьяна Хайнца представила в статье, опубликованной в Astrophysical Journal.
Кроме того, анализируя внутренние кольца с помощью Chandra, удалось установить, что имеются существенные вариации в плотности пылевых облаков по разным направлениям. Центры тяжести большинства облаков смещены в сторону галактической плоскости относительно положения V404 Cygni.
«Мы пришли к выводу, что наиболее приемлемое соответствие данным дает относительно простой состав пыли, состоящей из силикатных и графитовых зерен, при этом более сложные модели статистически исключаются, как, впрочем, и модели с однородной плотностью облаков», — заключают авторы этой работы.