Астрономы давно подозревали, что наблюдаемый с 1888 года квазар OJ 287 в созвездии Рака — это галактика с двумя сверхмассивными чёрными дырами в своём центре. Но эта галактика так далеко от нас, а чёрные дыры расположены в такой близости друг к другу, что сигналы от них сливаются в одну точку. Последний цикл наблюдений за OJ 287 принёс долгожданное открытие — сигналы от второй чёрной дыры впервые были надёжно обнаружены.

Источник изображения: AAS 2018

Активная галактика OJ 287 находится от нас на расстоянии около 5 млрд световых лет. Этот объект наблюдается астрономами 135 лет и изучен очень хорошо. Это отличная цель для проверки астрофизических теорий, которая даёт возможность на практике проверить те или иные модели. Наблюдения последних 40 лет позволили выявить два цикла в изменении активности галактики. Один из них 12-летний, а другой — 55-летний. Меньший цикл очевидным образом связали с орбитальным движением менее массивной чёрной дыры в центре галактики вокруг её намного большего партнёра по двойной системе.

Наибольшая в этой паре чёрных дыр сверхмассивная чёрная дыра считается второй по массе среди обнаруженных СМЧД. Её масса составляет около 18 млрд масс Солнца. Моделирование показало, что меньшая чёрная дыра в паре имеет массу около 150 млн масс Солнца. На фоне намного более крупного партнёра её невозможно было надёжно детектировать и учёные лишь догадывались о её присутствии.

Надёжным признаком обнаружения чёрной дыры может быть наличие активного аккреционного диска — обширной области газа и пыли, ближайшая к дыре часть которой раскалена до миллиардов градусов по Цельсию. Эта область светится почти во всех электромагнитных диапазонах, не говоря о периодическом появлении колоссальных выбросов энергии в виде джетов с полюсов чёрной дыры, которые также отлично фиксируются нашими приборами. Именно по таким признакам была детектирована наибольшая чёрная дыра из этой пары.

Обнаружить активность менее массивной чёрной дыры из пары смогли польские астрономы во время наблюдений в цикле 2021/2022 годов. Они заметили короткоживущую яркую вспышку, длительность которой длилась меньше суток. Анализ архивных данных показал, что подобные явления могли быть зафиксированы и раньше, но их банально проспали. Моделирование показало, что короткоживущая вспышка — это не джет от второй СМЧД (там другая физика), а момент пересечения менее массивной СМЧД акреционного диска второй чёрной дыры. Она как бы ныряет в аккреционный диск своей соседки по системе и в этот момент происходит выброс энергии. Аналогичная вспышка фиксируется в процессе «выныривания» с другой стороны. Это как танец с саблями или лазерными мечами, если использовать сравнимые понятия, когда два партнёра кружат один вокруг другого в орбитальном танце и соударяются мечами-дисками.

Бинарная система чёрных дыр в OJ 287 оказалась ещё интереснее, чем представляли учёные. Наблюдения за этим объектом будут продолжены. Можно ожидать, что учёные также попытаются проследить за ней с помощью гравитационных детекторов. Это даст ещё больше данных о физике процессов, которые мы никогда не сможем воспроизвести в земных лабораториях.

Наша галактика, как и вся Вселенная, полна вещами, о которых мы пока даже не догадываемся. Эти вещи и явления вскрываются по мере совершенствования инструментов наблюдения за космосом, что наглядно показала работа нового радиотелескопа MeerKAT в ЮАР. 200-часовый цикл наблюдения обнаружил в центре нашей галактики тысячи нитеподобных структур, о которых учёные до этого даже не подозревали.

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображения: Farhad Yusef-Zadeh/Northwestern University

Следует сказать, что первые нитеподобные структуры в центре Млечного Пути обнаружены более 40 лет назад. Астроном Фархад Юсеф-Заде (Farhad Yusef-Zadeh) из Северо-Западного университета в штате Иллинойс всю жизнь посвятил изучению этого явления. Первые обнаруженные нити были релятивистскими — это были разогнанные до околосветовой скорости потоки электронов. Нити длиной до 150 световых лет располагались параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости нашей галактики, за что их прозвали «струнами арфы». Предполагается, что «струны» — это выстроенные по силовым линиям магнитного поля потоки частиц, хорошо видимые в радиодиапазоне и, скорее всего, они связаны с деятельностью сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (Стрелец А*, Sgr A*).

Новое наблюдение с помощью радиотелескопа MeerKAT открыло нечто похожее и при этом иное — тысячи коротких нитей длиной от 5 до 10 световых лет, расположенных параллельно плоскости нашей галактики и расходящиеся радиально из её центра. Учёные потратили больше года на картирование этих объектов, с указанием точных длин и углов расхождения. Предполагается, что эти нити также являются результатом деятельности чёрной дыры Стрелец А*. Точнее, некоего события, происшедшего с дырой около 6 млн лет назад. Это могло быть одновременное падение множества вещества на чёрную дыру и, как следствие, резкий рост активности в аккреционном диске с выбросом энергии.

«Было неожиданностью внезапно обнаружить новую популяцию структур, которые, кажется, указывают в направлении чёрной дыры, — сказал Юсеф-Заде. — Я был ошеломлён, когда увидел это. Нам пришлось проделать большую работу, чтобы установить, что мы не обманываем себя. И мы обнаружили, что эти нити не случайны, а, похоже, связаны с истечением нашей чёрной дыры. Изучая их, мы могли бы узнать больше о вращении чёрной дыры и ориентации аккреционного диска. Приятно, когда находишь порядок посреди хаотического поля ядра нашей галактики».

Астрономы использовали беспрецедентные возможности космического телескопа «Джеймс Уэбб» для обнаружения настоящего монстра звёздного мира. Выявленная чёрная дыра оказалась столь беспрецедентно массивной, что, вероятно, остановила процесс образования новых звёзд в древней галактике GS-9209.

"Джеймс Уэбб", иллюстрация. Источник изображения: NASA

Команда учёных из Эдинбургского университета использовала «Джеймс Уэбб», чтобы изучить одну из самых отдалённых галактик — GS-9209 находится в 25 млрд световых лет от Земли. В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, выяснилось, что галактика интересна не только этим. По данным учёных, речь идёт о т.н. «массивной покоящейся галактике», всего через 800 млн лет после Большого взрыва сформировавшей столько же звёзд, сколько имеется в Млечном пути. Хотя GS-9209 имеет примерно столько же звёзд с общей массой, равной приблизительно 40 млрд масс Солнца, размером галактика в 10 раз меньше нашей.

«Джеймс Уэбб» помог учёным выяснить, что главный виновник того, что образование звёзд в чужой галактике прекратилось, — сверхмассивная чёрная дыра в центре GS-9209, которая в 5 раз массивнее, чем должна была бы быть в соответствии с современными научными представлениями — исходя из числа светил в галактике.

По словам учёных, такая чёрная дыра оказалась «большим сюрпризом» и ещё одним подтверждением одной из теорий, согласно которой сверхмассивные чёрные дыры могут мешать появлению новых звёзд. В процессе аккреции они интенсивно испускают высокоэнергетическое излучение, которое нагревает газ и буквально «выталкивает» его из галактик, в результате чего новые звёзды не возникают из-за нехватки основного «строительного материала».

Тот факт, что данная чёрная дыра столь массивна, может означать, по мнению учёных, что она была «очень активна в прошлом», поглощая огромное количество газа и пыли и, вероятно, светилась как квазар, а вся энергия, выделенная в процессе аккреции, вероятно, серьёзно повлияла на процесс звездообразования во всей галактике, не давая газу превратиться в новые звёзды.

«Джеймс Уэбб» чрезвычайно эффективен не только на длинных, но и на весьма коротких дистанциях. Относительно недавно он обнаружил гигантский ледяной гейзер на спутнике Сатурна — Энцеладе, что поможет учёным сделать немало открытий, связанных с этим небольшим, покрытым льдом миром.

Благодаря телескопу «Хаббл» астрономы получили новые доказательства присутствия недалеко от Земли чёрной дыры промежуточной массы — редчайшего объекта во Вселенной, который уверенно ещё никогда не обнаруживал себя. Объект найден в шаровом звёздном скоплении всего в 6000 световых годах от нашей системы. По космическим меркам — это словно соседний двор.

Шаровое скопление, в котором был обнаружен загадочный объект промежуточной массы. Источник изображения: ESA/Hubble, NASA

Забавно, что чёрные дыры промежуточной массы — это тайна в квадрате. Мы и сами чёрные дыры не можем увидеть — свет и электромагнитное излучение в целом не вылетают за их горизонты событий. Мы детектируем эти объекты по косвенным наблюдениям в виде тяготения к ним звёзд или по излучению перегретых дисков аккреции, а моделирование ставит в этом вопросе окончательную точку. Именно моделирование отсеивает чёрные дыры из череды невидимых карликов, нейтронных звёзд и прочего, что в силу ограниченной чувствительности могут не увидеть наши телескопы.

И среди множества обнаруженных невидимых объектов — чёрных дыр — нет ни одной уверенно трактуемой, как чёрной дыры промежуточной массы. Есть маленькие чёрные дыры массой до 100 масс Солнца, массивные чёрные дыры с массой от сотен тысяч масс Солнца, а также сверхмассивные — от миллиона масс Солнца. Чёрных дыр в промежутке от 100 до 100 000 солнечных масс в природе не наблюдаются, а они должны быть!

Впрочем, пару кандидатов в чёрные дыры промежуточной массы (среди сотни миллионов обнаруженных маленьких чёрных дыр только в нашей галактике) астрономы нашли. Это объекты 3XMM J215022.4-055108, который «Хаббл» помог открыть в 2020 году, и HLX-1, обнаруженный ещё в 2009 году. Оба они находятся в плотных звёздных скоплениях на окраинах других галактик. Каждый из этих кандидатов имеет массу до нескольких десятков тысяч солнечных масс. Также целый ряд чёрных дыр, вероятно, с промежуточной массой, был открыт рентгеновской обсерваторией NASA «Чандра», но к этим открытиям всё ещё множество вопросов.

Наконец, астрономы воспользовались услугами «Хаббла», чтобы поохотиться на неуловимые чёрные дыры промежуточной массы в наших окрестностях. Как сказано выше, обнаруживаются они косвенно, например, по круговому движению звёзд в определённых регионах, где нет видимого центра. Такие вещи лучше наблюдать как можно ближе, чтобы наверняка исключить тусклые объекты и более точно рассчитать круговые траектории видимых объектов.

«Хаббл» направили на ядро Мессье 4 (М4) — шарового звёздного скопления в 6000 световых годах от Земли. На видео показано, как звёзды движутся по кругу вокруг невидимого центра масс в течение 12 лет наблюдений (для этого использованы архивы телескопа). Моделирование показало, что это с чрезвычайно большой вероятностью может быть только чёрная дыра промежуточной массы, которая была оценена в 800 солнечных масс. «Хаббл» поставил точку в этой загадке и стал инструментом, который предоставил самые убедительные на сегодня доказательства существования чёрных дыр промежуточной массы.

Поскольку чёрные дыры промежуточной массы в шаровых скоплениях были долго неуловимы, астрономы сделали оговорку: «Хотя мы не можем полностью утверждать, что это центральная точка гравитации [компактный объект], мы можем показать, что она очень мала. Она слишком мала, чтобы мы могли объяснить это иначе, чем одиночной чёрной дырой. Как вариант, может существовать звёздный механизм, о котором мы просто не знаем, по крайней мере, в рамках нынешней физики».

Группа учёных Исследовательского института астрофизики и планетологии (Франция) и Института внеземной физики общества Макса Планка (Германия) рассказала о наблюдениях за самым ярким квазаром молодой Вселенной SMSS J114447.77-430859.3 (допустимы также сокращённые варианты наименования SMSS J1144-4308 и J1144).

Снимок квазара SMSS J114447.77-430859.3, полученный обсерваторией XMM-Newton. Источник изображения: ras.ac.uk

Квазары — самые яркие объекты во Вселенной. Это сверхмассивные чёрные дыры, которые поглощают вещество и выбрасывают его в виде джетов, то есть плазменных струй, с околосветовой скоростью. Объект J1144 расположен на расстоянии около 9,4 млрд световых лет от Земли и наблюдается между созвездиями Центавр и Гидра. Наблюдение за квазаром производилось при помощи аппарата eROSITA на российско-европейской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», европейской обсерватории XMM-Newton, а также американских NuSTAR и Neil Gehrels Swift.

Учёные выяснили, что температура объекта составляет около 350 млн K, то есть он более чем в 60 тыс. раз горячее поверхности Солнца. Масса чёрной дыры превышает солнечную примерно в 10 млрд раз, а масса ежегодно поглощаемого вещества в 100 раз больше солнечной. Рентгеновское излучение J1144 меняется в течение нескольких дней, что нетипично для объектов с такими большими чёрными дырами — для них эти периоды измеряются месяцами и даже годами. Наблюдения также показали, что одновременно с поглощением газа некоторая часть вещества выбрасывается в собственную галактику квазара в виде чрезвычайно мощных ветров.

Доктор Элиас Каммун (Elias Kammoun), профессор Тулузского университета и глава исследовательской группы, назвал удивительным тот факт, что ни одна рентгеновская обсерватория прежде не занималась наблюдениями этого мощного источника. Квазары такого рода обычно находятся гораздо дальше, а этот отличается и высокой яркостью, и относительно небольшим расстоянием до Земли. Очередной этап исследований J1144 стартует уже в июне.

Чёрные дыры манят своей фантастической загадочностью — это колоссальные источники энергии и даже тоннели для межзвёздных перелётов. Такое необходимо изучать в подробностях и моделирование для этого — это правильный подход. Учёные из Имперского колледжа Лондона поставили эксперимент по моделированию аккреционных дисков чёрных дыр. Это поможет разобраться с питанием этих объектов и согласовать астрономические наблюдения с экспериментами.

Первое прямое наблюдение чёрной дыры. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Во-первых, аккреционные диски вокруг чёрных дыр — это то, что позволяет нам видеть их нашими приборами. Четыре года назад благодаря этому феномену впервые было получено прямое изображение чёрной дыры в галактике Messier 87 (M87). Оранжевое кольцо на изображении — это раскрашенный компьютером диск из сверхразогретой плазмы вокруг чёрной дыры. Это относительно устойчивое образование. Вещество падает на чёрную дыру и испаряется в этом процессе — превращается в плазму.

Электроны отрываются от атомов, и атомы становятся ионами. И всё это кружит с огромными скоростями вокруг чёрной дыры, пока не упадёт на неё. Упасть всему и сразу не даёт центробежная сила, которая выталкивает частицы вещества наружу. Эти процессы в целом сбалансированы и остаются более-менее стабильными миллионы и даже миллиарды лет. Но всё же вещество падает на чёрную дыру и она этим питается. Как это происходит в деталях, учёные не знают — теория и существующие модели процесса очень приблизительные. Поставленный эксперимент помог и ещё поможет разобраться в нюансах процесса питания чёрной дыры, что важно для понимания физики этих явлений.

Опыт был поставлен на установке Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE). Этот прибор генерирует импульсы огромной силы тока — до 1,8 млн А. Ток такой силы ионизирует рабочее вещество — превращает его в плазму. Из минусов — импульсы тока очень короткие и не позволяют обеспечить длительные наблюдения. Возможностей установки хватило только на один полный оборот модели аккреционного диска, что очень мало для получения полной картины о динамике плазмы в диске.

В эксперименте восемь плазменных струй били в центр, создавая плазменное «торнадо» — модель аккреционного диска чёрной дыры. Источник изображения: Physical Review Letters

Но даже этого хватило, чтобы понять — модель работает и в целом отражает физику процессов плазмы в аккреционном диске настоящей чёрной дыры. Так, плазма ближе к центру вращалась быстрее, чем на периферии аккреционного диска — это соответствует астрономическим наблюдениям за чёрными дырами. Учёные рассчитывают, что смогут увеличить длительность импульса и дольше удерживать модель в работе, что поможет продвинуться ещё на шаг в изучении чёрных дыр, о чём они сообщили в статье в журнале Physical Review Letters.

Астрономы Саутгемптонского университета (Великобритания) сообщили об обнаружении самой мощной и продолжительной космической вспышки — она в десять раз ярче любой известной сверхновой и в три раза ярче вспышки приливного разрушения, которая возникает при падении звезды в чёрную дыру.

Источник изображения: Felipe / pixabay.com

Событие получило название AT2021lwx, и к настоящему моменту вспышка длится уже более трёх лет — для сравнения, яркие вспышки сверхновых видно лишь несколько месяцев. Событие произошло на расстоянии 8 млрд световых лет от Земли, то есть Вселенной тогда было 6 млрд лет. Исследователи считают, что взрыв порождён поглощаемым сверхмассивной чёрной дырой облаком газа в несколько тысяч раз больше Солнца. При погружении объекта в чёрную дыру через его остатки и её аккреционный диск проходят ударные волны. Такие события являются очень редкими, и ранее ничего подобного наблюдать не приходилось.

В прошлом году учёные зафиксировали самый яркий взрыв за всю историю наблюдений — гамма-всплеск GRB 221009A. Он был ярче, чем AT2021lwx, но и значительно короче, а значит, при вспышке AT2021lwx высвобождается намного больше энергии.

New Technology Telescope. Источник изображения: eso.org

Впервые взрыв AT2021lwx был зафиксирован калифорнийским центром Zwicky Transient Facility, после чего подтверждён телескопами системы ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System) на Гавайях. Истинные масштабы события долгое время оставались неизвестными. Учёных Саутгемптонского университета смутила его продолжительность: вспышки сверхновых и приливных разрушений длятся несколько месяцев, но никак не два года. Астрономы исследовали объект при помощи космической обсерватории Neil Gehrels Swift, New Technology Telescope в Чили, и Большого Канарского телескопа.

Проанализировав спектр излучения, разбив его на разные длины волн и проанализировав различные характеристики излучения и поглощения, учёные смогли оценить расстояние до объекта и его яркость у источника. Он оказался сопоставим с квазарами — яркими вспышками, возникающими при постоянном поглощении сверхмассивными чёрными дырами газа, который падает на них с огромной скоростью. Но яркость квазаров колеблется постоянно, тогда как ещё десятилетие назад признаков AT2021lwx ещё не было — вспышка возникла внезапно, став одной из самых ярких во Вселенной, и это действительно беспрецедентно.

Существует несколько гипотез, объясняющих природу взрыва, но наиболее правдоподобной учёные Саутгемптона считают чрезвычайно большое облако газа, преимущественно водорода, или пыли, которое сошло с орбиты вокруг чёрной дыры и устремилось в неё. Астрономы намереваются получить больше сведений об объекте, изучив его излучение в разных фрагментах спектра, включая рентгеновский диапазон — это поможет выявить поверхность объекта и его температуру, а также понять, какие основные процессы там происходят. А последующее моделирование поможет оценить, насколько жизнеспособны их гипотезы.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) показал фрагменты галактики NGC 4395. Её отличает очень низкая поверхностная яркость — галактика рассеяна и излучает меньше света, чем другие, но при этом у неё очень яркое ядро.

Центральная область NGC 4395, снятая Wide Field Camera 3 телескопа «Хаббл». Источник изображений: nasa.gov

Расположенная на расстоянии около 14 млн световых лет от Земли NGC 4395 относится к сейфертовским или галактикам с очень ярким ядром — это одна из самых близких и тусклых из известных сейфертовских галактик. Высокая яркость ядра объясняется присутствием в нём чёрной дыры — она активно поглощает вещество, и при этом возникает значительное свечение во всём электромагнитном спектре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и центральная область галактики (справа)

Яркость активного галактического ядра зачастую оказывается настолько высокой, что за ним не видно окружающих его звёзд, тогда как сейфертовскую галактику обнаружить возможно. Ядро NGC 4395 имеет относительно низкую светимость по сравнению с другими активными галактическими ядрами, поскольку находящаяся в нём чёрная дыра по массе «лишь» в 10 тыс. раз превосходит солнечную, а значит, она относится не к сверхмассивным, а к чёрным дырам средней массы.

Один из рукавов NGC 4395. Снимок получен инструментами «Хаббла» Wide Field Camera 3 и Advanced Camera for Surveys

Ещё одной редкой чертой карликовой галактики NGC 4395 является отсутствие балджа или галактической выпуклости — плотной группы звёзд в её центре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и спиральный рукав галактики (справа)

NASA выпустило новый анимационный ролик, который даёт зрителю полное представление о размерах сверхмассивных чёрных дыр по сравнению с Солнцем и Солнечной системой. Камера в ролике летит прочь от Солнца и на меняющемся масштабе нам показывают сравнительные размеры сверхмассивных чёрных дыр от нижней наблюдаемой границы до верхней. Все показанные в ролике чёрные дыры имеют реальные и измеренные параметры, и они чудовищны по масштабам.

Источник изображения: Pixabay

Ролик начинается с показа сверхмассивной чёрной дыры (СМЧД) в карликовой галактике под названием J1601+3113. Это объект массой около 100 000 солнечных масс. Строго говоря, чёрная дыра — это компактный сверхмассивный объект. Это условная точка (сингулярность) с огромной массой. Но вокруг неё образуется горизонт событий, который ничто не может покинуть, даже свет.

Радиус горизонта событий соответствует гравитационному радиусу Шварцшильда. Для СМЧД J1601+3113 радиус Шварцшильда (горизонт событий) чуть меньше радиуса Солнца. Но зато благодаря своей тени вокруг горизонта событий СМЧД J1601+3113 выглядит в два раза больше Солнца. Например, если бы Солнце было чёрной дырой, то его радиус Шварцшильда составил бы всего 2,95 км. Иными словами, диаметр горизонта событий у Солнца был бы равен примерно 6 км.

Следующей на видео показана СМЧД в центре одной из близких к нам галактик Циркуль. Размеры объекта вместе с его тенью сравнимы с радиусом орбиты Меркурия. Эта сверхмассивная чёрная дыра имеет 4 млн масс Солнца. Сверхмассивная чёрная дыра меньшей массы — 2,5 млн солнечных масс — за счёт своей тени выглядит масштабнее предыдущего объекта и сравнима уже с радиусом орбиты Земли. Это СМЧД в центре карликовой галактики M32 — ближайшем спутнике галактики Андромеда.

В центре нашей галактики Млечный Путь ещё более масштабный объект — Стрелец А* (Sagittarius A*), масса которого составляет около 4,3 млн солнечных масс, а по своим масштабам он сравним с диаметром орбиты Земли.

Дальше на видео показывается орбита Юпитера и меньшая из двух СМЧД в центре галактики NGC 7727. Меньшая чёрная дыра имеет массу 6,3 млн солнечных масс, а большая —154 млн. Когда-то они были единственными чёрными дырами в центрах своих галактик, но после слияния галактик чёрные дыры из их центров начали сближаться и когда-нибудь сольются в один объект ещё большей массы. Большая СМЧД из этой пары сравнима с диаметром орбиты пояса Койпера.

Дальше масштаб Солнечной системы пропадает и СМЧД массой 2,5 млрд солнечных масс в центре радиогалактики Лебедь А (Cygnus A) позирует на фоне малыша в лице галактики Андромеда. Но даже эти размеры меркнут на фоне СМЧД массой 5,7 млрд солнечных масс в галактике M87. Кстати, это её, точнее, изображение её тени удалось получить непосредственным наблюдением впервые в истории земной науки.

Наконец, появляется настоящее чудовище массой 66 млрд солнечных масс. Это СМЧД TON-618, удалённая от нас на более чем 10 млрд световых лет. Рядом такое счастье точно не нужно. Отдельно интересно добавить, что теоретический предел сверхмассивных чёрных дыр находится на рубеже примерно 50 млрд солнечных масс и объект TON-618 в этом плане очень и очень уникальный.

Учёные Массачусетского технологического института сделали интереснейшее открытие. Они обнаружили событие разрыва звёзды чёрной дырой сравнительно недалеко от нас — всего в 137 млн световых лет от Земли. Это самое близкое событие в истории наблюдений. Более того, впервые наблюдение сделано в инфракрасном диапазоне, чего никогда не было. Новшество открывает путь к открытиям массы событий приливных разрушений, которые раньше были пропущены.

Слева направо: научное изображение объекта во время события, эталонное изображение (по старым наблюдениям), разность в яркости, что показывает само событие, и галактика-хозяин события в оптическом диапазоне. На графиках изменение кривой блеска в спектре диапазонов. Источник изображения: Astrophysical Journal Letters

Астрономам известно около 100 событий приливных разрушений звёзд чёрными дырами в центрах далёких галактик. Считается, что такие события происходят раз в 10 тыс. лет. Пролетающая мимо чёрной дыры звезда захватывается гравитацией чёрной дыры и разрывается ею. Вещество звезды падает на дыру и вызывает вспышку энергии, которая легко наблюдается в рентгеновском и ультрафиолетовом или видимом диапазоне. Собственно, в этих диапазонах и велись наблюдения за событиями приливных разрушений.

Учёные из МТИ решили отступить от практики и взялись поискать признаки приливных разрушений в архивных данных телескопов с инфракрасными датчиками. В данных телескопа NASA NEOWISE такие данные были найдены и событие получило свой идентификатор — WTP14adbjsh. Вспышка была зафиксирована в конце 2104 года и достигла максимальной яркости к 2015 году, после чего её интенсивность начала спадать. Моделирование показало, что это не сверхновая. С большой вероятностью динамика изменения яркости события соответствует явлению приливного разрушения звезды чёрной дырой.

Удивительно, но событие WTP14adbjsh не нашло отражения в рентгеновском и оптическом диапазоне. По мнению исследователей, так вышло по той причине, что галактика NGC 7392, в центре которой сверхмассивная чёрная дыра разорвала звезду, относится к звездообразующим (голубым) галактикам. В таких галактиках много пыли и газа, которые поглощают коротковолновые излучения, но ярко светятся в инфракрасном диапазоне. Телескоп «Джеймс Уэбб» наверняка наведут в сторону этого объекта.

Сделанное учёными открытие приведёт к появлению новой методики поиска приливных разрушений звёзд в инфракрасном диапазоне. Может так статься, что этих событий намного больше, чем мы до сих пор считали. Они были крайне редки в звездообразующих галактиках, но теперь учёные знают, как отбросить пелену завесы над ними.

Наконец, событие приливного разрушения, обнаруженное астрономами МТИ, оказалось всего на 25 % удаления по сравнению с предыдущим самым близким к нам подобным событием. Оно фактически произошло на нашем «заднем дворе», как выразились авторы работы. В этом мало хорошего. Это, конечно, не сверхновая, но если вспышка от поглощения произойдёт ближе и будет направлена на Землю, наша планета может получить опасную дозу радиации. А масштаб потенциально бедствия лучше понимать заранее.

Учёным впервые удалось получить прямое изображение, на котором одновременно оказались сверхмассивная чёрная дыра и испускаемая ей релятивистская струя (джет), которая выбрасывается с близкой к световой скоростью и соединяется с материей, которую поглощает эта чёрная дыра. Событие произошло в ядре галактики Мессье 87 (М 87). Ранее удавалось получить изображение либо самой чёрной дыры, либо её джета, но не всего одновременно.

Источник изображения: eso.org

Первое в истории изображение сверхмассивной чёрной дыры М 87, которая имеет массу в 6,5 млрд раз больше солнечной и находится на расстоянии около 53 млн световых лет от Земли, было получено в 2017 году при помощи Телескопа горизонта событий (EHT), но обнародовано только через два года. Новое изображение объекта и его джета было создано на основе данных, полученных в 2018 году комплексом радиотелескопов GMVA и ALMA, а также Гренландским телескопом, которые сформировали виртуальный инструмент наблюдения планетарного масштаба — во многом как EHT.

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры составляют ядра почти всех или вообще всех крупных галактик. И некоторые из этих объектов поглощают большое количество вещества в виде газа и пыли, а также звёзд, которым непосчастливилось оказаться слишком близко. При этом чёрные дыры выбрасывают мощные релятивистские струи вещества, которые движутся с околосветовой скоростью и имеют протяжённость в несколько тысяч световых лет — иногда далеко за пределы галактик, в которых они возникли. Однако механизмы этого процесса пока изучены недостаточно.

Помимо джета, на изображении видна так называемая тень чёрной дыры. Когда поглощаемое вещество с околосветовой скоростью вращается вокруг чёрной дыры, оно разогревается и светится — в результате образуется яркое золотистое кольцо, в центре которого находится полная тьма, и она называется тенью чёрной дыры. Новое изображение М 87 отличается от снимка, сделанного Телескопом горизонта событий — оно включает в себя излучение в диапазоне с более длинными волнами. Кроме того, на новом изображении размер кольца оказался на 50 % больше, чем на предыдущем. Это может свидетельствовать, что поглощение вещества сверхмассивной чёрной дырой происходит интенсивнее, чем считалось ранее. В будущем учёные планируют исследовать окрестности М 87 в разных диапазонах радиоволн, что поможет изучить релятивистские струи более плотно.

Группа американских учёных предприняла попытку улучшить первое в истории прямое изображение чёрной дыры — оно было получено в 2017 году, а «позировала» на этом снимке сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M 87 (Messier 87) на расстоянии более 53 млн световых лет от Земли.

Слева оригинальное фото, справа — улучшенное ИИ. Источник изображения: iopscience.iop.org

Изображение объекта было получено в 2017 году при помощи Телескопа горизонта событий (EHT) — сети радиотелескопов планетарного масштаба, действующих как единый инструмент. В оригинальном виде снимок имеет вид «нечёткого пончика», поэтому исследователи решили улучшить его качество при помощи алгоритма PRIMO на основе машинного обучения. Как пояснили исследователи, система искусственного интеллекта была обучена на 30 000 симуляций чёрных дыр. Иными словами, ИИ оперировал данными, основанными на том, что человеку известно о законах Вселенной, и особенно о чёрных дырах.

Чёрные дыры — загадочные космические объекты, которые образуются, когда умирающие звезды коллапсируют под действием собственной гравитации. Звезда превращается в объект относительно небольшого размера, а граница чёрной дыры называется горизонтом событий, и всё его пересекающее обратно уже не возвращается, даже свет.

«На самом деле мы изучаем корреляции между различными участками снимка. Для этого мы анализируем десятки тысяч изображений высокого разрешения, созданных симуляциями», — прокомментировала проект астрофизик Лия Медейрос (Lia Medeiros). По словам исследователей, изображение согласуется с тем, что предсказывал Альберт Эйнштейн. Дополнительно повысить качество изображений помогут новые решения в области искусственного интеллекта и совершенствование приборов на телескопе.

В серии наблюдений «Хаббла» астрономы увидели явную помеху — светлый росчерк, который сочли попаданием в датчик космической частицы. Но детальное изучение снимка принесло нечто ранее невиданное. Оказалось, что на снимке чёрная дыра во всю прыть убегала из двойной системы чёрных дыр и на ходу теряла зарождающиеся звёзды. Такое-то придумать сложно, а увидеть — так просто чудо.

«Космический бильярд» глазами художника. Источник изображения: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Согласно проделанным расчётам, сверхмассивная чёрная дыра с массой около 20 млн масс Солнца быстро удаляется от двойной системы чёрных дыр. Беглянка оставила за собой невиданный ранее шлейф из новорожденных звёзд длиной 200 000 световых лет. Длина шлейфа в два раза превышает диаметр нашей галактики Млечный Путь — это колоссальное и абсолютно необычное образование.

«Мы думаем, что видим за чёрной дырой след, в котором газ охлаждается и способен образовывать звезды. Таким образом, мы наблюдаем звездообразование за чёрной дырой, — сказал ведущий автор исследования. — То, что мы видим, это последствия. Как след за кораблем, мы видим след за чёрной дырой». Учитывая, что шлейф за чёрной дырой почти в два раза ярче связанной с ним галактики, в следе должно быть много новых звёзд, полагают учёные.

Чёрная дыра не успевает поглотить вещество позади себя, поскольку движется очень быстро. Но и летящий впереди неё газ тоже падает на дыру не весь. Это ионизированный кислород, ярко светящийся на снимке либо от аккреции вещества на дыру, либо от ударных процессов. Что там происходит точно, учёные не берутся пока судить. Для этого будут проведены дополнительные исследования, включая наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба».

То же событие на датчиках «Хаббла». Источник изображения: NASA, ESA

Условным началом этого необычного космического бильярда можно считать вероятное образование 50 млн лет назад двойной системы из чёрных дыр — она родилась из двух сошедшихся галактик. Затем появилась третья галактика со своей сверхмассивной чёрной дырой в центре и в системе началась гравитационная разбалансировка. Одна из трёх чёрных дыр получила импульс и была выброшена из галактики-хозяина. Она полетела в одну сторону, а пара других дыр — в другую. Похоже, что двойная система чёрных дыр тоже покидает галактику-хозяина, поскольку в её центре чёрные дыры не определяются, а на границе замечена активность.

Ждём новых данных от телескопов «Джеймс Уэбб» и «Чандра». Обнаруженное астрономами событие настолько необычное, что оно ещё сможет удивить.

Анализируя данные, полученные европейским космическим телескопом Gaia, астрономы обнаружили две ближайшие к Земле чёрные дыры. Объекты получили названия Gaia BH1 и Gaia BH2 — первая наблюдается в созвездии Змееносца и находится на расстоянии 1560 световых лет от Земли; вторая обнаружена в созвездии Центавра в 3800 световых годах от нас.

Источник изображения: esa.int

Оба объекта по-своему уникальны, и обнаружить их удалось, изучив особенности движения вращающихся вокруг них звёзд-компаньонов: странные колебания указали учёным, что эти звезды вращаются вокруг неких массивных объектов — в обоих случаях их массы составляли около десяти солнечных. Массивные объекты не излучали света, поэтому очевидно, что речь идёт о чёрных дырах.

До недавнего времени все известные астрономам чёрные дыры обнаруживались посредством изучения, обычно в рентгеновском и радиодиапазонах, — его производит поглощаемое объектом вещество. Но Gaia BH1 и Gaia BH2 оказались по-настоящему чёрными, и выявить их удалось исключительно по гравитационным эффектам. Высоты орбит звёзд, вращающихся вокруг этих чёрных дыр, оказались необычно большими, что отличает их от так называемых рентгеновских двойных систем с низкой орбитой звезды вокруг чёрной дыры. Это дало учёным повод предположить, что двойные системы нового типа могут встречаться относительно часто.

Космический телескоп Gaia оказался подходящим инструментом для обнаружения подобных объектов — он с высокой точностью измеряет положение и особенности движения миллиардов звёзд, что позволяет извлекать важные сведения об объектах, оказывающих на эти звезды гравитационное воздействие. К таким объектам относятся другие звезды, планеты и чёрные дыры.

Следы Gaia BH2 в рентгеновском и радиодиапазонах попытались обнаружить специалисты, работающие с американской космической рентгеновской обсерваторией «Чандра» (Chandra X-ray Observatory) и радиотелескопом MeerKAT в ЮАР. В обоих случаях ничего обнаружить не удалось, и эта информация как раз представляет большую ценность. Звезда-компаньон испускает большие объёмы частиц в виде звёздного ветра, и отсутствие излучения указывает, что чёрная дыра поглощает не так много вещества, поскольку её горизонт событий пересекает небольшое число частиц. И учёные пока не нашли ответа, почему так происходит.

Всего час наблюдений «Джеймса Уэбба» за галактикой в ранней Вселенной помог сделать открытие, которое может стать мостиком к раскрытию одной из загадок в эволюции Вселенной — как и каким образом образовались первые сверхмассивные чёрные дыры, если во время их роста не было необходимых для этого условий. Эволюция чёрных дыр изобилует пробелами, и все новые данные о них имеют особую ценность.

Источник изображения: Pixabay

Открытие сделано при наблюдении за галактикой EGSY8p7 (позже переименована в CEERS_1019), обнаруженной ещё в данных «Хаббла» в 2015 году. Это галактика из ранней Вселенной, примерно в 570 млн лет от Большого взрыва. Удалённость объекта и эффект расширения Вселенной сместили свет от неё далеко в инфракрасную область — это как раз специализация «Джеймса Уэбба».

Первоначально объект EGSY8p7 был интересен учёным по причине ярчайшего проявления эффекта звездообразования. Чувствительные спектрометры «Уэбба» увидели в спектре галактики влияние иных явлений, кроме звездообразования. Оказалось, у EGSY8p7 (CEERS_1019) активное галактическое ядро, что означает наличие там активно растущей сверхмассивной чёрной дыры. Увидеть одновременно оба явления — это оказалось удивительным.

Расчёты показали, что масса чёрной дыры у EGSY8p7 в 10 млн раз превышает массу Солнца. Это относит её к нижнему уровню сверхмассивных чёрных дыр. Это не первый подобный объект в ранней Вселенной. Ранее там были открыты гораздо более крупные чёрные дыры: галактика-квазар J1342+0928, обнаруженная в 690 млн лет после Большого взрыва, имеет сверхмассивную чёрную дыру массой в 800 миллионов Солнц, а чёрная дыра в J0313-1806, обнаруженная в 670 млн лет после Большого взрыва, имеет массу 1,6 млрд Солнц.

В то же время в обоих галактиках-квазарах в спектре доминирует активное ядро, чего нет в случае галактики EGSY8p7. Поэтому она может быть промежуточным этапом в эволюции сверхмассивных чёрных дыр. А ведь «Уэббу» дали только час на совершение этого интересного открытия! Учёные уверены, что вскоре «Джеймс Уэбб» начнёт выдавать такой огромный поток новых данных по этим и другим объектам в ранней Вселенной, что наше понимание об эволюции звёзд и устройства мира перейдёт на новый качественный уровень.