Каждый новый научный инструмент обеспечивает непрерывный поток удивительной информации, но только некоторые из них способны кардинально изменить наши знания о мире, в котором мы живём. Таким уникальным инструментом стала инфракрасная космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба. Только с её помощью удалось заглянуть ещё дальше в глубины Вселенной, где многое ещё только рождалось.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Одной из загадок мироздания для учёных остаётся зарождение и эволюция чёрных дыр. Положение с ними усугубляет то, что они не обнаруживаются напрямую, поскольку из чёрных дыр не может вырваться никакое электромагнитное излучение. Наблюдать такие объекты можно только косвенно, например, по целому спектру активности во внутренней области аккреционного диска, где вещество начинает быстро падать на чёрную дыру.

Одно из наблюдений «Уэбба» в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне показало присутствие похожей активности в частотном спектре, исходящем от галактики GN-z11, свет которой обсерватория наблюдала на этапе через 440 млн лет после Большого взрыва. Согласно проведённому учёными моделированию, сигнал мог порождаться сверхмассивной дырой примерно в 1,6 млн солнечных масс. Это очень большой объект для того времени. Современные теории эволюции чёрных дыр с трудом могут объяснить появление такого объекта в указанное время.

Очевидно, что для зарождения и последующего развития чёрной дыры до подобных размеров необходимо было сочетание ряда условий. Например, для коллапса облака «первичной» материи вскоре после Большого взрыва в первичную чёрную дыру требовалось достаточного объёма тяжёлых элементов в нём, наличие рядом источника ультрафиолетового излучения для подогрева и ряд других условий. Затем новорожденная чёрная дыра должна была активно питаться окружающим веществом, чтобы быстро вырасти до указанных размеров, на что тоже есть ограничения.

Если найденный кандидат в самые древние чёрные дыры действительно окажется тем, о чём думают учёные, это позволит задать или расширить рамки для вывода новых моделей эволюции данных объектов. Пока же статья об открытии остаётся на сайте препринтов arХiv.org и ещё не прошла рецензирования для печати в одном из ведущих научных журналов.

После 8 лет наблюдений за звездой в самом центре нашей галактики Млечный Путь японские учёные пришли к выводу, что она прибыла к нам из другой галактики. Это первое доказательное наблюдение такого объекта. Теперь учёным предстоит выяснить больше деталей о таинственной звезде и её системе.

Источник изображения: Miyagi University of Education/NAOJ

Звезда S-типа, получившая обозначение S0-6, обнаружена в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики. Звёзды типа S обычно движутся по сильно вытянутым долгопериодическим орбитам. Звезда S0-6 не составила исключения, но вращалась она вокруг чёрной дыры на удалении всего 0,04 светового года. Длительные наблюдения за звездой подтвердили её траекторию вокруг чёрной дыры. Поскольку окрестности чёрных дыр не располагают к звёздообразованию, напрашивается вывод, что данная звезда прибыла туда из другого места. Но откуда?

Ответ на этот вопрос помог дать спектральный анализ света звезды. Во-первых, по наличию в спектре линий тяжёлых элементов и по их интенсивности можно сделать заключение о возрасте звезды. Чем меньше в ней тяжёлых элементов, тем она старше. Возраст S0-6 астрономы оценили в 10 млрд лет. Она всего на 3 млрд лет младше Млечного Пути. Во-вторых, спектральный анализ раскрывает химический состав объекта. Химия S0-6 оказалась совсем не такой, как у других звёзд из исследуемой области пространства. Это означает, что звезда родилась в другом месте и только много времени спустя была захвачена чёрной дырой в центре нашей галактики.

Химический состав S0-6 оказался похожим на состав звёзд из карликовых галактик, окружающих Млечный Путь. Тем самым, считают учёные, она прибыла к нам из чужой галактики, что не должно нас удивлять. За время своей жизни Млечный Путь поглотил не одну карликовую галактику, и звезда из одной из них вполне могла проделать путь к его центру и оказаться там захваченной сверхмассивной чёрной дырой.

Представленные парой китайских учёных расчеты показывают, что гипотетические крошечные чёрные дыры могут стать источником энергии. Исследователи доказали возможность создания гравитационных накопителей энергии с КПД до 25 %. Более того, даже отсутствие таких чёрных дыр не будет проблемой. Вместо них в «аккумуляторы» можно будет поместить тёмную материю, и она будет работать как надо.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

Опосредованно наблюдаемые нами чёрные дыры обладают массой как в несколько солнечных масс, так и сверхмассивные. Проблемы есть с обнаружением чёрных дыр промежуточной массы и сверхмалых, к которым относятся так называемые гипотетические первичные чёрные дыры. Но если такие чёрные дыры размером с один атом где-то есть во Вселенной, то их можно использовать как аккумулятор или генератор для хранения и получения электрической энергии, о чём в новой работе рассказали Чжан-Фенг Май (Zhan-Feng Mai) и Рун-Цю Ян (Run-Qiu Yang) из Тяньцзиньского университета (Китай).

Учёные теоретически доказали, что чёрная дыра размерами с один атом и массой от 10¹⁵ до 10¹⁸ кг будет способна вырабатывать энергию порядка гигаэлектронвольт. Энергию можно будет получать за счёт преобразования гравитационных воздействий со стороны чёрной дыры в электричество с КПД не менее 25 %.

«Принимая во внимание тот факт, что чёрная дыра обладает чрезвычайно сильной гравитационной силой, возникает интересный вопрос: если рассмотреть, хотя бы теоретически, можем ли мы использовать гравитационную силу чёрных дыр для выработки электрической энергии, т.е. использовать чёрные дыры в качестве батарей? — пишут они в своей статье. — В данной работе мы теоретически доказываем, что мы можем использовать чёрную дыру Шварцшильда в качестве аккумулятора».

Главным в этих расчётах стало доказательство возможности подпитки чёрной дыры заряжёнными частицами, ведь чем меньше чёрная дыра, тем быстрее она испаряется за счёт излучения Хокинга. Исследователи математически доказали осуществимость такой идеи, хотя до её практической реализации дело если и дойдёт, то в необозримом будущем. Подпитывать такой аккумулятор можно будет, поместив его в ядерный реактор. Расчёты показывают, что первичная чёрная дыра будет поглощать до 25 % альфа-частиц, получаемых при распаде радиоактивного топлива. Иначе говоря, ядерная энергия с приличным КПД будет превращаться в кинетическую.

Другим важным аспектом исследования стало определение диапазона масс, для которых такой аккумулятор имел бы практическую ценность. Оказалось, что в этот диапазон попадает тёмная материя. Она также могла бы работать в предложенной схеме «аккумулятора» с похожим результатом и тоже стала бы источником энергии, о чём исследователи рассказали в статье, которая предложена для публикации в журнале Physical Review D, а пока выложена на сайте arXiv.

Два мексиканских учёных на основании общедоступных данных от гамма-телескопа «Ферми» обнаружили активность возле сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Чёрная дыра Стрелец А* в центре Млечного Пути считается спокойной. Она не пожирает массы вещества вокруг себя, и поэтому множественных выбросов из её области нет. Однако кое-что от неё прилетает, и учёные отыскали вероятный источник загадочных вспышек.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2 / 3DNews

Несколько лет назад учёные обнаружили периодические вспышки в рентгеновском диапазоне, которые приходили к нам со стороны чёрной дыры Стрелец А*. Астрофизики Густаво Магальянес-Гихон (Gustavo Magallanes-Guijón) и Серхио Мендоса (Sergio Mendoza) из Национального автономного университета Мексики решили детальнее разобраться в этом вопросе и обратились к открытым данным орбитального гамма-телескопа Ферми. Учёные проанализировали 180 дней записей телескопа в период с 22 июня по 19 декабря 2022 года. О результатах анализа они сообщили в статье на сайте препринтов arХiv.

Анализ заключался в обработке и поиске закономерностей, особенно тех, которые проявляются периодически. В результате они нашли одну из них. Оказалось, что из окрестностей Стрельца А* с достоверностью 3 сигма (для «железного» подтверждения открытия требуется достоверность не менее 5σ) каждые 76,32 мин приходит гамма-сигнал. С большой вероятностью вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути вращается сгусток газа на расстоянии примерно как Меркурий от Солнца со скоростью около 30 % от скорости света.

Учёные считают, что облако газа будет излучать также в других диапазонах, и оно точно связано с ранее обнаруженными периодическими вспышками в рентгеновском диапазоне. Из самой чёрной дыры не вылетает никакое излучение, но в области поглощения вещества в диске аккреции процессы протекают очень и очень активно и сопровождаются выбросами энергии. Возможно в будущем Стрелец А* ещё зажжёт, но пока только подмигивает.

Учёные вновь зарегистрировали загадочное космическое явление LFBOT — светящийся быстрый синий оптический переход. Все ранее наблюдаемые события LFBOT сопровождались яркой вспышкой и быстрым затуханием, тогда как зарегистрированное в сентябре 2022 года событие AT2022tsd положило начало наблюдению целой серии из нерегулярных 14 вспышек разной интенсивности. Что-то на удалении одного миллиарда световых лет от нас долго горело и взрывалось.

Событие LFBOT AT2022tsd в представлении художника. Источник изображения: Robert L. Hurt/Caltech/IPAC/Cornell University

За свою непредсказуемость событие LFBOT AT2022tsd получило прозвище «Тасманийский дьявол». Впервые явление LFBOT было зарегистрировано в 2018 году. Нечто далеко во Вселенной совершило колоссальный выброс энергии, видимый в оптическом диапазоне в синем цвете, и очень быстро снизило свою яркость. Все ранее наблюдаемые вспышки сверхновых длились существенно дольше, что заставило признать существование неких иных процессов во Вселенной.

Событие AT2022tsd стало поистине уникальным, придав LFBOT (Luminous Fast Blue Optical Transients) ещё больше загадочности. В течение 120 дней после первой регистрации вспышки последовало ещё 14 вспышек с неравным интервалом. Более того, часть последующих вспышек была большей яркости, чем предыдущие.

Безусловно, у учёных есть пара гипотез, что происходило в случае LFBOT AT2022tsd. С большой вероятностью мы действительно видим последствия взрыва сверхновой, которая превратилась либо в чёрную дыру, либо в нейтронную звезду. На месте некогда яркой звезды остался её труп — намного меньше, но со своими странными свойствами.

«Удивительно, но вместо того, чтобы стабильно угасать, как можно было бы ожидать, источник ненадолго становился ярче, снова и снова, — рассказала ведущий автор работы Анна Хо (Anna Ho), доцент Корнельского университета. — уже является своего рода странным, экзотическим событием, так что это было ещё более странным».

Как сообщается в посвящённой исследованию работе, опубликованной в Nature, ведущей остаётся версия о неудачном взрыве сверхновой. На пороге взрыва звезда превратилась в чёрную дыру или нейтронную звезду. Исходная звезда массой около 20 солнечных сожгла всё топливо и коллапсировала без взрыва. Также источником уникального может оказаться чёрная дыра средней массы, поглощающая звёзды.

В любом случае, у учёных появились данные для расширения ранее предложенных моделей поведения нейтронных звёзд, чёрных дыр и сверхновых, а также для более полного описания эволюции останков звёзд после их смерти.

Группа астрономов сообщила об открытии сверхмассивной чёрной дыры (СЧД), которая образовалась всего через 500 млн лет после Большого взрыва. Никакая сверхновая в те времена не могла бы породить СЧД таких чудовищных размеров. Остаётся альтернативная версия о другом пути появления зародыша чёрной дыры, но к ней тоже есть вопросы.

Источник изображения: Chandra / JWST

Сделать удивительное открытие помог космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Но даже ему понадобилась помощь, чтобы заглянуть так далеко в раннюю Вселенную. Во-первых, астрономы использовали эффект гравитационного линзирования, чтобы ещё сильнее усилить свет от далёких звёзд. Во-вторых, для поиска чёрных дыр в далёких галактиках был задействован рентгеновский телескоп «Чандра» (Chandra). «Уэбб» искал подходящие галактики и измерял их красное смещение, а «Чандра» ловила рентгеновское излучение, которое чёрные дыры излучают в процессе питания веществом.

Из 11 кандидатов почти идеально (с отклонением 4 сигма) подошла галактика UHZ1 с красным смещением около 10. Она располагалась за массивным скоплением галактик Abell 2744, которое обеспечило «четырёхкратный зум». Измерения и расчёты показали, что в центре UHZ1 за слоями пыли и газа скрывается сверхмассивная чёрная дыра с массой порядка 10 млн солнечных. Масса СЧД равнялась массе всего остального вещества в галактике. Как она там выросла до таких размеров и к моменту наблюдения света от неё — это стало загадкой. Масса всех наблюдаемых в местной Вселенной чёрных дыр равна примерно 0,1 % массы вещества в галактиках, включая нашу.

Считается, что первые чёрные дыры стали появляться через 200 млн лет после Большого взрыва. Тем самым чёрной дыре в UHZ1 понадобилось всего 300 млн лет чтобы разрастись до колоссальных размеров. Обычное слияние к такому не могло привести, поскольку небольшие чёрные дыры не обладают необходимым гравитационным потенциалом. Развиться из фазы суперновой и очень и очень большой звезды в ранней Вселенной — это тоже не вариант. Такая чёрная дыра должна была бы питаться с удвоенной силой, что теоретически возможно, но практически маловероятно.

Остаётся последний вариант, который более-менее укладывается в наше понимание процессов во Вселенной. Предполагается, что зародыши СЧД могут также образовываться при коллапсе плотных газовых облаков в ранней Вселенной. В таком случае зародыш СЧД UHZ1 мог быть достаточно большим, чтобы вырасти до наблюдаемой в галактике черной дыры. Темп его роста всё ещё отвечает кормлению по пределу Эддингтона, благодаря которому мы можем рассчитать границы масс чёрных дыр. Такой объект обнаружен пока в единственном экземпляре во Вселенной, и это не позволяет говорить о тенденции.

Учёные призывают с осторожностью относиться к полученным результатам. Научное сообщество также демонстрирует осторожность к сделанному наблюдению. Так, первоначально статья об открытии появилась на сайте arxiv.org 24 мая 2023 года. В сентябре она была подвергнута очередной ревизии и только вчера её опубликовали в Nature Astronomy.

Кстати, новое и более обширное исследование по открытиям «Уэбба» в ранней Вселенной говорит о том, что данные о галактиках-переростках в те времена несколько преувеличены. Всё же, они встречаются существенно реже и не такие массивные, чем было сказано после первых наблюдений «Уэбба».

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M87 вращается, в чём учёные убедились после 22 лет наблюдений за этим объектом. Своим джетом она как фехтовальщик мечом описывает в пространстве окружность с размахом до 10 °. И этот «меч» длиною в 5 тыс. световых лет так же смертоносен для всего живого, что попадётся ему на пути, как и оружие в руках опытного бойца.

Вращение чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Джет или струя вещества, бьющая из центра сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87, был замечен в 1918 году астрономом Хебером Кёртисом (Heber Curtis). Изображение струи впервые получили с помощью орбитального телескопа «Хаббл». Более того, испускающая этот джет чёрная дыра стала первой, изображение которой удалось получить при непосредственном наблюдении за объектом. Точнее, телескоп «Горизонта событий» — сеть из разбросанных по всей Земле радиотелескопов — получил изображение тени этой чёрной дыры или её аккреционного диска, ведь сама дыра за свои пределы ничего не выпускает.

Изображение джета M87, полученное телескопом «Хаббл». Источник изображения: NASA, ESA

«После успешной визуализации чёрной дыры в этой галактике с помощью телескопа Event Horizon Telescope вопрос о том, вращается эта черная дыра или нет, занимал центральное место в умах учёных, — рассказал астрофизик и соавтор исследования Кадзухиро Хада (Kazuhiro Hada) из Национальной астрономической обсерватории Японии. — Теперь ожидание переросло в уверенность. Эта чудовищная чёрная дыра действительно вращается».

Для анализа поведения чёрной дыры M87 учёные проанализировали 170 наблюдений за ней в период с 2000 по 2022 год, проведённые более чем на 200 телескопах. О вращении этой чёрной дыры учёные могли судить только по смене положения её джета. Вращающаяся чёрная дыра искажает пространство-время вокруг себя — происходит так называемое увлечение инерциальных систем отсчёта. Тем самым направление джета и ориентация аккреционного диска изменяются вслед за искажениями пространства-времени. Для внешнего наблюдателя это выглядит как отклонение джета на какой-то угол.

Данные из новой работы. Источник изображения: Nature

Наблюдения помогли определить угол отклонения струи, который составил примерно 10 °. Своё движение джет совершает за 11 лет, после чего цикл начинается снова.

С какой скоростью вращается эта чёрная дыра, масса которой примерно в 6 млрд раз превышает массу Солнца, учёным ещё предстоит выяснить. Большинство чёрных дыр вращается с околосветовой скоростью, но уже обнаружены чёрные дыры, скорость вращения которых может падать до 50 % от скорости света.

Группа американских учёных, возможно, нашла доказательства, что сверхмассивная чёрная дыра в другой галактике поглотила достаточно крупную звезду с массой в три солнечных и выбросила её остатки в окружающее пространство. По этим остаткам как раз и удалось определить массу погибшей звезды.

Источник изображения: chandra.si.edu

Событие, получившее название ASASSN-14li, наблюдалось в 2014 году, а произошло оно в центре галактики PGC 043234, расположенной на расстоянии 290 млн световых лет от Земли. Для подробного наблюдения за событием использовались рентгеновские обсерватории «Чандра» (Chandra) и XMM-Newton, данные с которых помогли изучить его более подробно. Анализ произведённых после поглощения звезды выбросов позволил учёным утверждать, что она когда-то имела массу, в три раза превышающую массу Солнца.

Подобные инциденты называются событиями приливного разрушения. Когда подошедшая слишком близко звезда оказывается во власти гравитационного поля сверхмассивной чёрной дыры, её обломки нагреваются, и возникает вспышка, охватывающая оптический, ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны. Учёные измерили длины волн этого излучения и установили концентрации элементов в окружающем чёрную дыру аккреционном диске — по соотношению азота и углерода удалось оценить массу звезды.

Полученные результаты не согласуются с опубликованной в 2017 году работой, посвящённой исследованию события ASASSN-14li — тогда учёные сделали вывод, что масса этой звезды составляла всего 0,6 солнечной. Были и другие исследования, авторы которых даже предполагали, что окружающее сверхмассивную чёрную дыру вещество вообще не имело отношения к какой-либо звезде, а возникло в результате серии извержений, порождённых самой чёрной дырой.

Учёные почти в шесть раз повысили теоретический предел скорости, которую способны развивать чёрные дыры в процессе своей эволюции. Это тем более неприятно, что в Млечном Пути могут быть сотни блуждающих чёрных дыр, о которых нам ничего неизвестно. К счастью для нас, разогнаться до указанной отметки на уровне 10 % от скорости света чёрные дыры могут только в исключительных обстоятельствах.

Иллюстрация одиночной чёрной дыры. Источник изображения: FECYT, IAC

Учёные всё больше и больше узнают о поведении и эволюции чёрных дыр, хотя пробелы в этих знаниях продолжают оставаться. Это неудивительно. У нас нет инструментов и возможностей напрямую наблюдать такие объекты. Строго говоря, чёрные дыры — это всё ещё гипотеза, хотя и подкреплённая множеством теоретических доказательств и косвенных наблюдений. И наблюдения часто опережают теорию. Например, открыты чёрные дыры, масса которых выходит за границы теоретически обоснованной. Почему так может происходить, показали новые расчёты, которые подняли границы допустимых для чёрных дыр скоростей.

Повышенную скорость и новую траекторию чёрные дыры могут получить при слиянии в двойной системе. Пара чёрных дыр сближается в своём орбитальном кружении вокруг общего центра масс до момента слияния, после чего новая чёрная дыра увеличенной массы приобретает некую дополнительную скорость и траекторию. До сих пор учёные считали, что после слияния чёрные дыры не могут двигаться со скоростью свыше 5 тыс. км/с относительно точки рождения. Новое более детальное моделирование показало, что при сочетании определённых условий скорость рождённой слиянием чёрной дыры может быть почти в шесть раз больше или 28 562 ± 342 км/с. Тем самым они подняли планку скорости чёрных дыр почти до 10 % от скорости света.

Впрочем, как сказано выше, чтобы чёрная дыра разогналась до максимально возможного значения необходимо соблюдение двух условий: во-первых, спины (направления вращения) в паре чёрных дыр должны быть строго противоположны и, во-вторых, направлены вдоль плоскости орбиты. Только в таком случае образовавшаяся при слиянии новая чёрная дыра приобретёт импульс, который придаст ей наибольшее ускорение.

Подобные скорости позволяют чёрным дырам носиться по галактикам и вылетать за их пределы. Такое поведение повышает вероятность столкновений между ними, чем может объясняться появление чёрных дыр с массой выше теоретически возможной (сценарий столкновений с путешественниками издалека просто не рассматривался). Очевидно, что такое происходит нечасто даже для бесконечной по нашим меркам Вселенной, но границы возможностей необходимо знать, чтобы овладеть теорией и перейти к практике.

На сегодняшний день обнаружена одна ускоряющаяся чёрная дыра, которая, по мнению учёных, является результатом слияния двух других. Она движется со скоростью около 1542 км/с. Это не так быстро, как могло бы быть. И теперь мы знаем, насколько небыстро.

Учёные Оксфордского (Великобритания) и Колумбийского (США) университетов опубликовали работу, в которой описываются механизмы взаимодействия чёрных дыр звёздной массы с их «старшими собратьями» — сверхмассивными чёрными дырами в ядрах галактик.

Источник изображений: ras.ac.uk

Находящиеся в ядрах большинства, если не всех, галактик сверхмассивные чёрные дыры могут вырасти до масс, в миллионы и миллиарды раз превышающих солнечную. Они зачастую окружены газопылевыми дисками, которые нагреваются до колоссальных температур и испускают яркое свечение. Часть этого вещества направляется непосредственно в чёрную дыру, а часть оказывается у её полюсов, из которых выбрасывается с околосветовыми скоростями, также производя мощное свечение. Такие объекты называются квазарами — они могут быть настолько яркими, что за ними не видно свечения остальных звёзд в галактиках, в которых они находятся.

Авторы исследования утверждают, что наряду с квазарами в активных ядрах галактик могут находиться и относительно небольшие чёрные дыры массами от трёх до десяти солнечных, и они растут, сливаясь друг с другом. Квазары могут оказать влияние на столкновения небольших чёрных дыр, и эти процессы можно зафиксировать на Земле по гравитационным волнам — ряби в пространстве и времени, которую создают эти процессы. Данные были получены на основании серии сложных компьютерных симуляций, каждая из которых заняла три месяца. Моделирование воспроизводило механизмы взаимодействия сверхмассивных чёрных дыр и чёрных дыр звёздной массы.

Симуляция показала, что чёрные дыры звёздной массы могут втягиваться в аккреционные диски своих сверхмассивных собратьев, где объединяются в двойные системы с себе подобными. Газ и пыль в этих дисках замедляют скорости движения небольших чёрных дыр — они не разлетаются, а оказываются гравитационно связанными друг с другом. При этом каждая образует собственный аккреционный диск, уменьшенную версию того, что окружает сверхмассивный объект. Слияния чёрных дыр звёздной массы также порождают сильные выбросы газа. Выяснилось также, что в половине таких систем небольшие чёрные дыры обращаются вокруг сверхмассивной в направлении, противоположном её собственному вращению — так называемое ретроградное движение.

Авторы исследования указывают, что его результаты подтверждают возможность слияния чёрных дыр на орбитах сверхмассивных, а также объясняют «многие или, возможно, большинство сигналов гравитационных волн, которые мы сегодня наблюдаем».

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обнаружил самую удалённую активную сверхмассивную чёрную дыру из известных сегодня. Галактика CEERS 1019, в центре которой находится чёрная дыра, сформировалась всего через 570 млн лет после Большого взрыва. Сама чёрная дыра примечательна не только большой дистанцией до неё от Солнечной системы, но и массой «всего» в 9 млн солнечных — обычно её ровесницы весят более 1 млрд солнечных масс, благодаря чему их легче обнаружить.

Источник изображений: NASA

Относительно небольшой размер чёрной дыры в центре CEERS 1019 пока представляет собой одну из загадок Вселенной. По данным Научного института космического телескопа в Балтиморе, управляющего JWST, всё ещё сложно объяснить, как сверхмассивная чёрная дыра такой массы сформировалась настолько скоро после появления Вселенной. Ранее астрономы подозревали, что на ранних этапах должны были появиться чёрные дыры относительно небольших размеров. Учёные не исключают, что сверхмассивных чёрных дыр относительно небольшой массы на деле много, просто они до сих пор не обнаружены.

Чёрную дыру в CEERS 1019 удалось выявить благодаря данным, собранным «Джеймсом Уэббом» в рамках проекта Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) — исследовательской программы, предназначенной для тестирования и оценки методов, позволяющих «заглянуть» далеко в историю Вселенной в регионе между созвездиями Большой медведицы и Волопаса.

Если до недавних пор исследования, связанные с ранними этапами формирования Вселенной, были преимущественно теоретическими, то «Джеймс Уэбб» позволяет не только видеть чёрные дыры и галактики на огромных расстояниях, но и точно оценивать их характеристики. Так, о CEERS 1019 собрал спектральные данные, электромагнитные сигнатуры, раскрывающие химический состав, массу и другие свойства галактики. Известно, что она продолжает порождать новые звёзды, возможно, в результате слияния с другой галактикой, поддержавшего активность центральной чёрной дыры и процесс звёздообразования.

JWST не только обнаружил необычный объект в центре CEERS 1019, но и два массой поменьше, чем обычно характерны для сверхмассивных чёрных дыр, находящихся на таких дистанциях. Объекты являются ядрами галактик CEERS 2782 и CEERS 746 и сформировались приблизительно через 1,1 млрд и 1 млрд лет после Большого взрыва соответственно. Каждая имеет массу приблизительно в 10 млн солнечных. Для сравнения, чёрная дыра в центре Млечного пути в 4,3 млн раз массивнее Солнца — её характеристики весьма скромны для современных сверхмассивных чёрных дыр. Например, в центре галактике M87 находится объект с массой в 6,5 млрд солнечных.

В целом в рамках программы CEERS телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил 11 галактик, сформировавшихся от 470 до 675 млн лет после Большого взрыва. Полученные данные могут многое рассказать о формировании и эволюции звёзд и галактик. Предполагается, что объект в центре CEERS 1019 недолго останется рекордсменом — благодаря JWST уже обнаружены другие кандидаты на эту роль, которые сейчас изучаются подробнее.

Расположение и перемещение галактик во Вселенной отнюдь не случайно. Помимо явных скоплений галактики связаны нитеподобными структурами. По всей видимости, в основе «нитей» лежит тёмная материя, которая постепенно собирала вокруг себя обычное вещество. Вначале это была слабая космическая паутина, но со временем она становилась всё более прочной и заметной. «Джеймс Уэбб» смог проследить начало формирования призрачных нитей, связывающих галактики в огромные структуры.

Кругами отмечены связанные космической нитью галактики, а объединяющий квазар находится в центре трёх кругов справа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Центрами «сборки» космической паутины считаются сверхмассивные чёрные дыры или активные ядра галактик, которые также называют квазарами. Наблюдение за одним квазаром (J0305-3150) в ранней Вселенной в эпоху реионизации позволило выявить 10 связанных с ним галактик, соединённых космической «нитью» длиной 3 млн световых лет.

«Я был удивлен тем, насколько длинной и узкой является эта нить, — сказал участник исследования Сяохуи Фань (Xiaohui Fan) из Университета Аризоны в Тусоне. — Я ожидал найти что-то, но не ожидал такой длинной, отчётливо тонкой структуры». Руководитель проекта Фейдж Ванг (Feige Wang) из того же университета добавил: «Это одна из самых ранних связанная с далёким квазаром нитевидных структур, которые люди когда-либо находили».

Со временем эта нить превратится в громадное галактическое скопление, и оно где-то есть, а изучение космической паутины на ранних этапах даёт возможность проследить за эволюцией таких процессов.

Проделанная учёными работа входит в рамки проекта по изучению самых первых чёрных дыр. Всего в рамках программы ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era) будут наблюдаться 25 квазаров, существовавших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Программа призвана решить множество загадок, связанных с эволюцией чёрных дыр и одна из них — это слишком быстрое их появление в виде сверхмассивных объектов, на что, в теории, в те времена не хватило бы и времени, и материи.

Группа астрономов сообщила о первом в мире наблюдении света звёзд из очень ранних активных галактик (квазаров). «Джеймс Уэбб» смог увидеть звёздное население в свете квазаров на удалении 12,9 и 12,8 миллиардов лет или во времена всего лишь через 870 и 880 млн лет после Большого взрыва. Так далеко и с такой разрешающей способностью земная наука ещё не заглядывала. Открытие поможет понять эволюцию звёзд, галактик и сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.

Квазар HSC J2236+0032 в поле зрения космического телескопа «Джеймс Уэбб». Источник изображения: Ding, Onoue, Silverman, et al.

Космический телескоп «Хаббл» помог учёным увидеть звёзды в активных галактиках на расстоянии 10 млрд световых лет. «Уэбб» заглянул ещё дальше — почти на 13 млрд лет или в эпоху, когда первые звёзды образовывали первые галактики. До этого наука смогла составить представление об эволюции квазаров и их галактик-хозяек в зрелые годы Вселенной вплоть до нашего времени. Но что было в ранние эпохи развития Вселенной оставалось нам неизвестным.

Следует сказать, что в исследованной нами Вселенной масса квазаров коррелирует с массой галактик, в которых они находятся (квазар — это активно питающаяся сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики или, иначе, её активное ядро). Тем самым существует примерная зависимость массы квазаров от массы галактик. Учёные не могут со 100-процентной уверенностью ответить, почему так происходит. На этот счёт существует две основные гипотезы: либо излучение квазара влияет на активность звездообразования в галактиках-хозяйках, либо чёрные дыры растут пропорционально росту галактик в цепочке последовательных слияний более мелких галактик и чёрных дыр из их центров.

Наблюдения «Уэбба» дают ценный материал для изучения эволюции галактик и квазаров на ранних этапах, что может подтвердить ту или иную гипотезу и для этого необходимо уметь отделять свет звёзд в галактиках от света квазаров в их центрах, который затмевает всё остальное излучение рядом с собой. Ведь узнать о массе далёкой галактики мы можем, только анализируя свет от её звёздного населения. «Уэбб» предоставил такую возможность для объектов на невообразимом удалении.

Два квазара из ранней Вселенной — J2236+0032 и J2255+0251 — оказались с тем же соотношением масс чёрных дыр к массам их галактик, как и в нашей области Вселенной. Галактики, в центрах которых они обитали на тот момент времени, обладали массой в 130 млрд и 30 млрд раз больше солнечной, а массы их центральных чёрных дыр были в 1,4 млрд и 200 млн раз больше массы Солнца.

Безусловно, двух наблюдений недостаточно для создания стройной теории, поэтому «Джеймс Уэбб» продолжит изучение квазаров в ранней Вселенной и такие программы уже намечены и выполняются.

В ядре нашей галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая ведёт себя относительно тихо. Но учёные Страсбургского университета (Франция) доложили об обнаружении следов вспышки в рентгеновском диапазоне, которую крупнейшая чёрная дыра Млечного Пути произвела двести лет назад.

Источник изображений: astro.unistra.fr

В центре Млечного Пути, как и большинства других галактик, находится сверхмассивная чёрная дыра. Она называется Стрелец A*, её масса примерно в 4 млн раз превосходит солнечную, и она действительно ведёт себя относительно тихо по сравнению со своими сверстниками в других галактиках. Так было не всегда: есть подтверждения, что 6 млн и 3,5 млн лет назад Стрелец A* производила колоссальные вспышки излучения, сопровождаемые выбросами материи и ударными волнами, которые до сих пор можно засечь при наблюдении в некоторых диапазонах.

Несколько космических рентгеновских телескопов, включая IXPE, Chandra и XMM-Newton помогли обнаружить в окрестностях Стрельца A* гигантские молекулярные облака с неожиданно ярким свечением в рентгеновском диапазоне. При помощи IXPE была произведена оценка поляризации излучения, которая помогла выявить источник феномена — угол поляризации указал на Стрелец A*, а её степень продемонстрировала, какое расстояние преодолели эти облака с тех пор, как чёрная дыра их выбросила. Это, в свою очередь, помогло учёным понять, когда произошла вспышка — немногим менее двухсот лет назад.

Учёным удалось оценить и яркость вспышки: как выяснилось, в течение некоторого времени сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути сияла в рентгеновском диапазоне примерно в миллион раз ярче обычного. Так ярко светят ядра сейфертовских галактик — примерно как все звезды Млечного Пути вместе взятые. К сожалению, у астрономов XIX века не было возможностей зафиксировать это событие: рентгеновское излучение открыли лишь в конце века.

Знания об истории активности Стрельца A* помогут предсказывать будущее сверхмассивной чёрной дыры. В последние годы она испускает вспышки в рентгеновском и ближнем инфракрасном диапазонах — они могут быть предвестником нового периода повышенной активности Стрельца A*, но могут оказаться и следами попадания в неё неких заблудших объектов.

Три года назад в центре нашей галактики астрономы обнаружили четыре необычных объекта, которые выглядели как гигантские облака газа и пыли, но вели себя как звёзды. Первые два объекта с такими же свойствами были открыты там же около 20 лет назад. Вместе их стали называть «объектами G». Многолетний сбор данных позволил сделать обоснованное предположение о природе загадочных образований.

Объекты G в представлении художника. Источник изображения: Jack Ciurlo/UCLA

В журнале Nature вышла статья, в которой астрономы объяснили вероятную природу объектов G. Первые два из них были открыты в начале нулевых годов и получили названия G1 и G2. Объекты G3, G4, G5 и G6 были обнаружены в 2020 году. Все они «обитают» в центре нашей галактики Млечный Путь и вращаются вокруг сверхмассивной звезды Стрелец А* (Sgr A*). Впрочем, орбиты первых двух объектов сильно отличаются от орбит четырёх других — они ближе к круговым, тогда как остальные объекты движутся по сильно вытянутым орбитам с периодом до 1600 лет, а минимальный орбитальный период объектов G при этом составляет 170 лет.

За первые годы наблюдений сложилось впечатление, что объекты G — это гигантские облака из пыли и газа до 100 а.е. в поперечнике. Однако максимальное сближение объекта G2 с чёрной дырой в 2014 и последующий уход от неё показали, что «облако» повело себя как компактный объект. Если бы это был молекулярный газ (водород), чёрная дыра полностью поглотила бы его с соответствующим выбросом энергии после аккреции. Но этого не произошло. При сближении с чёрной дырой объект стал вытянутой формы, а после удаления вновь приобрёл прежний вид.

По сумме полученных данных астрономы предположили, что объект G2 может быть продуктом слияния двух массивных звёзд в ранее двойной системе. Двойные звёзды могли врезаться друг в друга в процессе эволюции системы, а также под влиянием гравитации сверхмассивной чёрной дыры. Собственно обнаружение шести объектов с похожим поведением в окрестностях Стрельца А* как бы намекает о большой вероятности подобного развитии событий. Столкновение двух массивных звёзд теоретически способно создать одно ядро — звезду — окружённое колоссальным пузырём из газа и пыли.

Орбиты известных объектов G. Источник изображения: Anna Ciurlo/Tuan Do/UCLA Galactic Center Group

В центре галактики обычно массивное звёздное население и двойных звёздных систем там тоже довольно много, чтобы подобные столкновения случались довольно часто и, особенно, в присутствии сверхмассивной чёрной дыры, гравитация которой провоцировала бы такие события. Поэтому неудивительно, что астрономы обнаружили «деревья в лесу при наблюдении за лесом», правда, таких «деревьев» они раньше не видели, а может просто не замечали по незнанию.

Возможно многие из наблюдаемых нами звёзд родились не в процессе обычной эволюции от зародыша протозвезды, а возникли в процессе гибели двойных звёздных систем после слияния звёздных пар. Первые шесть обнаруженных объектов G могут стать толчком к изменениям в теории эволюции звёзд и это важно, поскольку все наши базовые знания о Вселенной строятся на математических моделях и если они в чём-то неверны, то это скажется в области фундаментальной физики и, так или иначе, затронет многие области науки и техники.