На основе данных двухлетнего обзора всего неба рентгеновским телескопом еРОЗИТА (eROSITA) на борту российской астрофизической обсерватории «Спектр-РГ» удалось проследить, как изменялась рентгеновская яркость нескольких тысяч квазаров из оптического каталога SDSS, и установить связь между характеристиками переменности и физическими параметрами сверхмассивных чёрных дыр, в частности, их массами и темпами аккреции.

Активные ядра галактик (АЯГ) — компактные источники мощного излучения, исходящего из центров некоторых (порядка одного процента) галактик. Самые энергичные из них называются квазарами — их светимость превышает светимость Солнца в миллиарды раз, и обычно они находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от нас. Непосредственным источником излучения служит аккреция вещества на черные дыры с массой в миллионы или миллиарды масс Солнца — сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД).

Излучение АЯГ переменно во всех диапазонах электромагнитного спектра. Изменения рентгеновской яркости регистрируются на масштабах времени от нескольких часов до десятков лет (самых больших времен, доступных для прямых наблюдений).

Сверхмассивная черная дыра в центре галактики в представлении художника

Считается, что масса черной дыры и количество падающего на нее в единицу времени вещества должны определять не только общее энерговыделение, но и свойства переменности излучения АЯГ. Однако как именно устроена эта взаимосвязь — пока непонятно. Вероятно, процессы, происходящие в аккреционных дисках СМЧД и их горячих коронах, схожи с теми, что протекают на гораздо более коротких временах в компактных двойных системах при аккреции вещества на черные дыры звездных масс.

Для описания этих процессов разработано множество теоретических моделей. Рентгеновские наблюдения АЯГ позволяют выяснить, какие из них верны или требуют доработки. А так как речь идет о стохастических процессах, то очень важно получить информацию о переменности как можно большего количества объектов.

Примеры рентгеновских кривых блеска квазаров по данным телескопов СРГ/еРОЗИТА (синие точки) и XMM-Newton (красные кресты). Показаны потоки в диапазоне энергий 0.3-2.3 кэВ с соответствующими ошибками измерений. Время измеряется в модифицированных юлианских днях

Телескоп еРОЗИТА на борту обсерватории «Спектр-РГ» (СРГ) в ходе обзора всего неба, проводившегося с декабря 2019 по февраль 2022 года, раз в полгода измерял рентгеновский поток каждого достаточно яркого АЯГ на небе. Таким образом ученые получили уникальный набор данных, позволяющий систематически исследовать рентгеновскую переменность тысяч квазаров на масштабах времени от полугода до двух лет.

Такое исследование провели учёные из отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН вместе с коллегами из других российских институтов. Его результаты опубликованы в статье, принятой к печати в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и опубликованной на сайте электронных препринтов arXiv.org.

Чтобы еще больше расширить исследуемый диапазон времен, для части объектов были привлечены архивные данные другого рентгеновского телескопа — XMM-Newton (Европейское космическое агентство), который работает в космосе уже более 20 лет, но в отличие от СРГ/еРОЗИТА проводит наблюдения отдельных площадок на небе, а не всего неба.

Для исследования были отобраны ранее известные квазары из каталога Слоановского цифрового обзора неба в оптическом диапазоне (Sloan Digital Sky Survey, SDSS). Для них по данным оптической спектроскопии точно измерены красные смещения (т. е. расстояния) и получены оценки масс чёрных дыр. Чтобы уменьшить влияние ошибок измерения рентгеновского потока, рассматривались только такие квазары, яркость которых на суммарной карте неба, полученной телескопом СРГ/еРОЗИТА, превышала некий достаточно высокий порог. Получившаяся выборка состоит из 2344 квазаров, для 157 из которых есть также данные XMM-Newton.

В результате исследования во-первых, удалось подтвердить, со значительно большей достоверностью, вывод ряда предыдущих работ, что относительная амплитуда переменности АЯГ растет с увеличением рассматриваемого масштаба времени.

«Это означает, что если измерить отношение рентгеновских потоков квазара в два разных момента времени, то оно будет тем больше, чем больше интервал времени между измерениями, — объясняет ведущий автор исследования аспирант отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН Сергей Прохоренко. — Это поведение, очевидно, связано с постепенным развитием каких-то неустойчивых процессов в аккреционном диске и/или его горячей короне, но общепринятого объяснения в рамках теории аккреции пока не существует».

Но еще более важным новым результатом исследования стал вывод о том, что рентгеновская переменность зависит от свойств СМЧД. Оказалось, что чем легче чёрная дыра и чем медленнее она растёт, тем более переменно ее рентгеновское излучение. Самыми «изменчивыми» среди исследованных объектов оказались АЯГ с массами чёрных дыр меньше миллиарда масс Солнца и с темпами аккреции порядка нескольких процентов от критического (при котором давление излучения способно приостановить аккрецию вещества на черную дыру). Рентгеновская яркость большинства таких АЯГ изменялась в несколько раз в ходе обзора неба СРГ/еРОЗИТЫ.

«Это может свидетельствовать о переходе в другой режим аккреции при таких низких темпах падения вещества», — говорит соавтор статьи профессор РАН Сергей Сазонов, заведующий лабораторией ИКИ РАН.

Зависимость относительной амплитуды рентгеновской переменности от промежутка времени между измерениями потока для разных масс черных дыр (MBH, в массах Солнца) и темпов аккреции (????X, относительно критического). Пунктирными линиями показаны аппроксимации полученных зависимостей степенным законом

Исследователи из ИКИ РАН с коллегами из ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и Казанского федерального университета планируют в дальнейшем использовать результаты этого исследования для изучения корреляции между рентгеновским и ультрафиолетовым излучением квазаров. Эта тема сейчас является предметом широкого обсуждения и интенсивных исследований.

«Существование такой корреляции и ее нелинейность открывают возможность использовать квазары в качестве «стандартных свечей» для измерения расстояний на космологических масштабах во Вселенной, дополняя и расширяя шкалу расстояний, построенную по сверхновым типа Ia. Данные обзора всего неба при помощи телескопа СРГ/еРОЗИТА внесут критический вклад в эти исследования», — говорит соавтор статьи академик Марат Гильфанов, главный научный сотрудник ИКИ РАН.

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Источник: ИКИ РАН.