Обработка сигнала, полученного космическим рентгеновским телескопом от активной галактики на расстоянии 1 миллиард световых лет, дала возможность подробно исследовать её центральную область, в которой расположена сверхмассивная чёрная дыра. В отличие от методик прямого наблюдения, при картировании используется восстановление положений объектов по отражённому и преломлённому на них рентгеновскому излучению от аккреционного диска вокруг чёрной дыры.
Про сенсацию 2019 года — «фотографию чёрной дыры» — писали многие. Это чёрная дыра в эллиптической галактике-сверхгиганте с обозначением Messier 87 (M87), она же NGC 4486, или просто — «объект Дева A» (Virgo A), которая находится в 53 миллионах световых лет от нас. Галактика хорошо проявляется в радиодиапазоне, а известная «фотография» — результат компиляции данных от сети радиотелескопов в разных точках планеты, объединённых под названием «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope).
Теперь для картирования окрестностей чёрной дыры выбран иной объект, и методика исследования принципиально другая. Коллектив из 21 автора представляет 18 исследовательских центров из стран Европы, а также США, Канады и Китая (ведущий автор проекта, Уильям Алстон (William N. Alston), работает в Институте астрономии Кембриджского университета, Великобритания). Результаты работы международной группы опубликованы в вышедшей 20 января в Nature Astronomy статье. Исследователи обратили внимание на активную галактику с обозначением IRAS 13224-3809, которая принадлежит к другому типу и расположена гораздо дальше — на расстоянии в 1 миллиард световых лет в созвездии Центавра в южном небе. Она проявляется в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, в частности, из-за интенсивного взаимодействия вещества в её центре со сверхмассивной чёрной дырой. На таких расстояниях структурные элементы галактики, а тем более движение вещества в её центре разглядеть нельзя. Но для картирования её центра можно применить техники, отдалённо напоминающие принцип эхолота для исследования морского дна, или сейсморазведку в геологии. Падающая на чёрную дыру материя является интенсивным источником рентгеновского излучения, кроме того, в галактиках этого типа происходит быстрая эволюция источников такого излучения (видимые изменения происходят на временной шкале порядка дней или часов). Рентгеновские лучи взаимодействуют с окружающим газом и другими объектами в галактике, преломляясь и отражаясь на этих объектах так же, как звуковая волна от эхолота отражается от дна и предметов под водой. Полученные с задержкой из-за этого сигналы в принципе позволяют решить «обратную задачу» — реконструировать положение объектов вблизи центра галактики, вызвавших преломление. Этот принцип ещё называют принципом реверберации. В данном случае речь идёт о «рентгеновской реверберации». Здесь играет существенную роль наличие чёрной дыры как сверхмассивного объекта, сильно искривляющего пространство и влияющего на движение световых лучей в его окрестностях.
Исследования проводились с помощью рентгеновского космического телескопа Европейского космического агентства (ESA) XMM-Newton. Полученные данные представляют суммарно 550 часов наблюдений этой галактики в период с 2011 по 2016 годы. Кроме определения динамики падающего на чёрную дыру вещества, по этой же методике удалось сделать заключение о массе чёрной дыры и её вращающем моменте. Массу чёрной дыры оценивают в два миллиона солнечных масс (это сопоставимо с массой чёрной дыры в центре нашей Галактики).
Успех «эхолокации», в отличие от прямого наблюдения, напрямую не зависит от угловой разрешающей способности приёмника излучения. Объекты вблизи чёрной дыры даже в нашей Галактике пока практически недоступны для их прямого наблюдения, не говоря об удалённых галактиках. Использование такого эхозондирования сродни, например, открытию невидимых в телескоп экзопланет косвенными методами. Возможность реконструкции положения космических объектов, то есть решения обратной задачи, здесь определяется скорее наличием достаточно большого массива данных от длительных космических наблюдений и вычислительными ресурсами. «Картирование при помощи рентгеновской реверберации» (X-ray reverberation mapping) — активное направление последних лет. Ожидается, что эта методика вскоре будет достаточно отработана для массового исследования чёрных дыр удалённых галактик. В частности, она пригодится в связи с планируемым ESA запуском в начале 2030-х годов космического рентгеновского телескопа ATHENA, направленного на исследование вещества в активных ядрах галактик.
