Точне визначення хімічних складових поблизу надмасивної чорної діри

Міжнародна команда астрофізиків здійснила вперше детальне вимірювання розподілу концентрацій кількох важких елементів у безпосередньому оточенні надмасивної чорної діри в галактиці Компас. Ця аналіз дозволяє уточнити частку різних типів наднових, які збагачували хімічно середовище поблизу чорної діри. Результати дослідження були опубліковані в Nature Astronomy.

Розподіл елементів вказує на історію виробництва та введення металів у астрофізичних системах. Він зберігає пам'ять про внески минулих наднових, які переважно поділяються між термоядерними надновими типу Ia та надновими колапсу ядра (типи II, Ib та Ic). Важкі елементи, синтезовані під час цих зоряних вибухів, поступово розсіюються в міжзоряному та міжгалактичному середовищі, забруднюючи первісний газ, що виник після Великого вибуху, який спочатку складався з водню та гелію.

Спостереження рентгенівських променів у гарячому середовищі скупчень галактик показують, що, якщо врахувати збагачення за весь космічний час, співвідношення концентрацій металів близькі до сонячних значень. Ці розподіли можуть бути відтворені сучасними моделями нуклеосинтезу, за умови, що внесок складає приблизно 20% від наднових типу Ia та 80% від наднових колапсу ядра.

Проте безпосереднє дослідження хімічного складу в самих галактиках, ключовій області для розуміння їх еволюційної історії та зростання надмасивних чорних дір, залишалося значним спостережним викликом. В ультрафіолетовому, оптичному та близькому інфрачервоному діапазонах металічні концентрації в галактиках з активними ядрами зазвичай виводяться з відношень інтенсивності емісійних ліній газу, за допомогою моделей фотоіонізації. Ці моделі описують взаємодію ультрафіолетового та оптичного випромінювання з навколишнім газом, але їх результати сильно залежать від припущень щодо розподілу густини газу, форми іонізуючого континууму, а також ступеня деплеції елементів на частинках пилу. Ці залежності вводять значні систематичні невизначеності.

На відміну від цього, взаємодія рентгенівських променів з матерією є фізично простішою і дозволяє майже безпосередньо вивчати всі компоненти середовища, будь то газ чи пил. Коли рентгенівський фотон високої енергії поглинається атомом через фотоелектричний процес, вивільняється флуоресцентна лінія. Інтенсивність цієї лінії прямо пропорційна концентрації відповідного елемента в опроміненому середовищі. Діагностика, що базується на спостережуваних флуоресцентних лініях у рентгенівському спектрі, відбитому від матеріалу, що оточує надмасивну чорну діру, пропонує надійний спосіб оцінки елементарних концентрацій у активних ядрах галактик.

Запис цих ліній, які часто є слабкими та щільно розташованими за енергією, вимагає надзвичайної спектральної роздільної здатності. На сьогоднішній день референсним інструментом для такого типу досліджень є мікрокалориметр Resolve, встановлений на борту японського космічного телескопа XRISM, нещодавно запущеного. Завдяки своїй безпрецедентній енергетичній роздільній здатності, Resolve дозволяє виявляти та точно вимірювати флуоресцентні лінії елементів, які раніше були недоступні.

У цьому контексті астрофізики міжнародної співпраці XRISM націлилися на галактику Компас, близьку спіральну галактику (відстань ≃ 4,2 Мпк), яка містить найближче відоме ядро Seyfert 2. Попередні рентгенівські спостереження показали, що її активне ядро сильно затемнене значною кількістю матеріалу, що робить його ідеальною лабораторією для вивчення затемнюючого тора та його рентгенівського рефлективного спектра.

Галактика Компас спостерігалася з XRISM з 8 по 12 лютого 2024 року, загальний час експозиції склав 309 тисяч секунд. Ці спостереження були доповнені майже одночасними кампаніями з телескопами NuSTAR та XMM-Newton, щоб розширити спектральне покриття до високих енергій і покращити просторову роздільну здатність нижче 10 кеВ. Загальний спектр, отриманий з XRISM, охоплює область приблизно 3′ × 3′, зосереджену на галактичному ядрі, і виявляє численні емісійні лінії, пов'язані з різними елементами, зокрема аргоном, кальцієм, хромом, марганцем, залізом і нікелем.

Аналіз профілю флуоресцентної лінії Kα заліза, розширеної та зміненої через комптонівське розсіювання, вказує на те, що матеріал, що випромінює, є холодним, щільним і сильно збагаченим металами. Його розташування на відстані більше 0,024 парсеків від надмасивної чорної діри сумісне з областю пилового тора. Порівняння інтенсивностей флуоресцентних ліній різних елементів відносно заліза показує, що співвідношення аргону/заліза та кальцію/заліза нижчі за сонячні значення, тоді як співвідношення нікелю/заліза, навпаки, виявляється надмірним.

Виходячи з цього розподілу концентрацій, дослідники змогли уточнити оптимальну комбінацію наднових, відповідальних за спостережуване хімічне збагачення, використовуючи той факт, що різні типи наднових виробляють важкі елементи в різних пропорціях. Вони приходять до висновку, що домінуючий внесок (≈ 92%) становлять наднові колапсу ядра від зірок масою менше 20 сонячних мас, проти приблизно 8% від наднових типу Ia.

Ці результати мають значні наслідки для нашого розуміння коеволюції галактик та їх надмасивних чорних дір, а також для фізики наднових колапсу ядра. Виміряний хімічний склад свідчить про те, що надмасивна чорна діра галактики Компас акреціює газ, нещодавно збагачений надновими типу II, а не старим газом, домінованим продуктами наднових типу Ia. Це спостереження узгоджується зі сценаріями формування галактик "зсередини назовні", за умови, що газ в області тора (≲ 20 парсеків) постійно поповнюється зовнішнім галактичним диском, замінюючи таким чином старий газ.

Крім того, співіснування активної ядерної зіркової формації та активного ядра узгоджується з моделями, в яких наднові сприяють затемненню центрального двигуна. Висока металічність ядерних регіонів також підкреслює потенційну роль активних ядер галактик як механізму хімічного збагачення на галактичному, а можливо, навіть на міжгалактичному рівні.

Визначення верхньої межі маси (≈ 20 M⊙) для предків наднових колапсу ядра в центральній області галактики також надає важливу інформацію про долю масивних зірок. Деякі теорії передбачають, що зірки масою кілька десятків сонячних мас можуть безпосередньо колапсувати в чорні діри або виробляти наднові з дуже низькою яскравістю, не викидаючи важкі елементи. Хоча деякі кандидати на такі прямі колапси були ідентифіковані в локальному Всесвіті, їх загальний внесок залишається предметом дискусій. Відсутність хімічних підписів, пов'язаних із надновими, що походять від зірок масою більше 20 M⊙, у спектрах XRISM підкріплює гіпотезу про прямі колапси або невдалі вибухи в середовищах, багатих металами, якщо тільки формування дуже масивних зірок там не є вкрай обмеженим.

Цей сценарій також може пояснити "проблему червоних супергігантів", а саме спостережувану відсутність наднових колапсу ядра, що походять від червоних супергігантів масою понад приблизно 18 M⊙ у локальному Всесвіті, незважаючи на наявність таких зірок.

Нарешті, прямий колапс масивних зірок у збагачених металами середовищах має важливі наслідки для загальної історії космічного нуклеосинтезу. У первісному Всесвіті, що характеризується низькою металічністю, дуже масивні зірки могли, навпаки, вибухати в наднові та виробляти значні кількості елементів α. Цей контраст між різними космічними епохами може пояснити, чому спостережувані сьогодні інтегровані співвідношення концентрацій у більшості скупчень галактик близькі до сонячних значень.