Місія рентгенівської візуалізації та спектроскопії (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission, XRISM) виявила структуру, рух і температуру речовини навколо надмасивної чорної діри та залишку наднової в безпрецедентних деталях. Астрономи представили перші наукові результати нового рентгенівського телескопа наприкінці другої декади вересня 2024 року, менше ніж через рік після його запуску.
Що спільного між гігантською чорною дірою та залишками масивної зорі, яка вибухнула? Це обидва драматичні небесні явища, коли надзвичайно гарячий газ виробляє рентгенівське світло високої енергії, яке може зареєструвати XRISM.
Перші оприлюднені результати XRISM [місію виконує Японське агентство аерокосмічних досліджень (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) за участю Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA)] вказують на унікальні можливості телескопа визначати швидкості та температури гарячого газу, який називається плазмою, і тривимірні структури речовини, яка оточує чорну діру та зорю, що вибухнула.
«Ці нові спостереження надають важливу інформацію для розуміння того, як чорні діри ростуть, захоплюючи навколишню матерію, і пропонують нове розуміння життя та смерті масивних зір. Вони демонструють виняткові можливості місії у дослідженні високоенергетичного Всесвіту», — сказав науковий співробітник проєкту ESA XRISM Маттео Ґуайнацці (Matteo Guainazzi).
Залишок наднової N132D
Одним із перших XRISM спостерігав об’єкт N132D — залишок наднової, що міститься у Великій Магеллановій Хмарі приблизно за 160 000 світлових років від Землі. Ця міжзоряна «бульбашка» гарячого газу була викинута внаслідок вибуху дуже масивної зорі приблизно 3000 років тому.
За допомогою інструмента Resolve, XRISM докладно розкрив структуру навколо N132D. Всупереч попереднім припущенням про просту сферичну оболонку, науковці виявили, що залишок N132D має форму пончика. За ефектом Доплера вони виміряли швидкість з якою гаряча плазма в залишку рухається до нас або від нас, і встановили, що вона розширюється з швидкістю близько 1200 км/с.
На цьому зображенні показано результати спостережень рентгенівського телескопа JAXA XRIMS за залишком наднової N132D. Ця наднова є наслідком вибуху зорі приблизно 3000 років тому у Великій Магеллановій Хмарі, що лежить на відстані 160 000 світлових років від Землі. У верхній частині зображення залишок наднової показано в рентгенівському світлі. Жовте коло окреслює ділянку, де прилад XRISM Resolve виявив надзвичайно гаряче залізо (10 мільярдів градусів Кельвіна). Рожева лінія показує край залишку, де вибухова хвиля взаємодіє з міжзоряним середовищем, а гарячий газ (плазма) холодніший (близько 10 мільйонів градусів Кельвіна). Спектр показує багато хімічних елементів, які присутні в N132D. XRISM може ідентифікувати кожен елемент, вимірюючи енергію рентгенівського фотона, специфічного для різних атомів. Позначка «кеВ» на осі абсцис графіка означає кілоелектронвольти, одиницю вимірювання енергії. «Енергетична роздільна здатність» XRISM, тобто його здатність розрізняти рентгенівське світло з різними довжинами хвиль, є новаторською. Розширені спектроскопічні можливості XRISM, що в 30 разів перевищують роздільну здатність його попередників, дають змогу науковцям вимірювати рух і температуру гарячої плазми з безпрецедентною точністю. Авторські права на зображення: JAXA. Фото з сайту www.esa.int.
Прилад Resolve дав змогу виявити, що залишки містять залізо, яке має надзвичайну температуру 10 мільярдів градусів Кельвіна. Атоми заліза були нагріті під час вибуху наднової через бурхливі ударні хвилі, що поширюються всередину вибуху. Це явище, яке було передбачено теорією, ніколи раніше астрономи не спостерігали.
Залишки наднових, такі як N132D, містять важливі підказки про те, як еволюціонують зорі та як (важкі) елементи, потрібні для нашого життя, як-от залізо, утворюються та поширюються в міжзоряному просторі. А втім, попередні рентгенівські обсерваторії завжди мали труднощі з виявленням того, якими є розподіл швидкостей і температури плазми в таких залишках.
Надмасивна чорна діра в галактиці NGC 4151
XRISM також пролив нове світло на таємничу структуру, що оточує надмасивну чорну діру. Зосередившись на спіральній галактиці NGC 4151, розташованій на відстані 62 мільйони світлових років від нас, XRISM пропонує безпрецедентний погляд на речовину дуже близько до центральної чорної діри галактики, маса якої в 30 мільйонів разів перевищує масу Сонця.
Рентгенівський телескоп зафіксував розподіл речовини, що обертається та, зрештою, падає в чорну діру в широкому радіусі, що охоплює від 0,001 до 0,1 світлового року, тобто приблизно на відстані в 100 разів більшій, як порівняти із відстанню між Сонцем і Ураном.
Рентгенівський телескоп JAXA XRISM зафіксував розподіл матерії, що потрапляє в надмасивну чорну діру в галактиці NGC 4151, у широкому радіусі, що охоплює від 0,001 до 0,1 світлового року. Визначивши швидкість атомів заліза за їхнім рентгенівським сигналом, науковці намітили послідовність структур, що оточують центрального «монстра»: диск, найближчий до чорної діри (позначено синім), де газ рухається зі швидкістю на кілька відсотків менше швидкості світла, за якою йде перехідна ділянка, де газ рухається зі швидкістю тисячі км/с і яку астрономи називають «областю широкої лінії (the broad line region, BLR)» (помаранчевий колір), і, нарешті, тор у формі бублика (червоний). Авторські права на зображення: JAXA. Фото з сайту www.esa.int.
Визначаючи рухи атомів заліза за їхніми рентгенівськими характеристиками, науковці намітили послідовність структур, що оточують гігантську чорну діру: від диска, який «живить» чорну діру, до тора у формі бублика.
Ці відкриття є важливою частиною головоломки в розумінні того, як чорні діри ростуть, поглинаючи навколишню матерію.
Хоча радіо- та інфрачервоні спостереження виявили наявність тора у формі бублика навколо чорних дір в інших галактиках, спектроскопічна техніка XRISM є першим і наразі єдиним способом відстежити, яку форму має газ поблизу центрального «монстра» та як він рухається.
Уявлення художника про центральну активну область (активнее ядро галактики, active galactic nucleus, AGN) галактики NGC 4151, що містить надмасивну чорну діру. Синя ділянка посередині — це найближчий до чорної діри акреційний диск, який викидає речовину. Далі розташована бурхлива ділянка, яку астрономи називають «областю широкої лінії», а ще далі показаний тор у формі бублика. Авторські права на зображення: JAXA. Фото з сайту www.esa.int.
Погляд у майбутнє: майбутні спостереження та відкриття
В останні місяці наукова команда XRISM старанно працювала над встановленням продуктивності інструментів і вдосконаленням методів аналізу даних, спостерігаючи за 60 основними цілями. Паралельно було обрано 104 нових об’єктів спостережень із понад 300 запропонованих вченими з усього світу.
XRISM буде виконувати спостереження на основі успішних пропозицій протягом наступного року; завдяки своїй винятковій продуктивності на орбіті, яка перевершує навіть початкові очікування, це обіцяє ще багато захопливих відкриттів.
Про XRISM
XRISM вивчатиме Всесвіт у рентгенівському світлі з безпрецедентним поєднанням високої можливості збору світла та енергетичної роздільної здатності – здатності розрізняти рентгенівські промені різної енергії. Серед багатьох інших тем місія надасть дані про рухи в скупченнях галактик, хімічний склад Всесвіту та потік матерії навколо надмасивних чорних дір (активних ядер галактик, active galactic nucleus, AGN). Авторські права на зображення: ESA. Фото з сайту www.esa.int.
Місію X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) розпочато 7 вересня 2023 року. Це співпраця між Японським агентством аерокосмічних досліджень (JAXA) і NASA за значної участі ESA. В обмін на надання апаратних і наукових консультацій ESA має 8 % спостережного часу XRISM.
Спостереження, зроблені за допомогою XRISM, доповнять спостереження рентгенівського телескопа ESA XMM-Newton і стануть гарною основою для спостережень, запланованих у рамках майбутньої місії ESA великого класу NewAthena. Останню проєктують таким чином, щоб значно перевищити наукові показники наявних спектроскопічних і оглядових рентгенівських обсерваторій.
За інф. з сайту www.esa.int
Від редактора: «Наше небо» розповідало про XRISM у замітці «Революційний приймач рентгенівських променів для дослідження чорних дір і наднових зір».
