Квазары — это активные ядра галактик, представляющие собой сверхмассивные чёрные дыры, которые непрерывно поглощают падающее на них вещество. Как же удивились учёные, когда в ранней Вселенной космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил квазары без регистрируемого окружения из вещества. Такое просто невозможно, чтобы сияние квазаров через миллиарды лет наблюдалось и возникло в полной пустоте.

Художественное представление квазара. Источник изображения: NASA/JPL–Caltech

«Вопреки предыдущему мнению, мы обнаруживаем, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в областях ранней Вселенной с наибольшей плотностью. Некоторые из них, кажется, находятся неизвестно где, — поделилась в заявлении доцент физики Массачусетского технологического института Анна-Кристина Эйлерс (Anna-Christina Eilers). — Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если кажется, что им нечем питаться».

Современная космология предполагает, что космическая паутина из нитей тёмной материи и её сгустков в узлах способствовала концентрации обычного вещества и его превращению в звёзды, галактики и всё остальное. Сделанные с помощью обсерватории им. Джеймса Уэбба открытия вносят неопределённость в эти гипотезы и теории. «Уэбб» смог заглянуть на глубину до 13 и более миллиардов лет назад, когда материя во Вселенной образовала первые галактики, а эти галактики, а также сверхмассивные чёрные дыры в их центрах, оказались неожиданно большими. Согласно стандартной модели, они просто не успели бы эволюционировать до регистрируемых размеров.

Мало было этих проблем, как вскрылись новые. Учёные изучили пять самых ранних из открытых квазаров на этапе 600–700 млн лет после Большого взрыва. Исследователей волновал вопрос — чем они питаются, если стали такими большими уже на ранних этапах своей эволюции? Оказалось, что некоторые квазары вообще не имеют регистрируемого вещества в пределах своего «ареала обитания». Их яркость и аккрецию вещества вообще ничем нельзя объяснить. На целом ряде длин волн учёные не обнаружили признаков материи.

Логично было бы ожидать, что квазары в ранней Вселенной обнаруживаются в областях узлов тёмной материи, где много, например, видимых галактик. Но рядом с некоторыми из наблюдаемых квазаров было всего 2 галактики, а рядом с другими — 50 и более. Это говорит о том, что супермассивные чёрные дыры (квазары) выросли на неизвестном науке механизме эволюции, который ещё предстоит открыть. Не исключено, что новые наблюдения помогут зарегистрировать рядом с квазарами холодные скопления газа и пыли, но это всё равно плохо укладывается в современные космологические представления.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США направил свой взор на далёкий астрономический объект, визуально напоминающий кольцо с драгоценными камнями. На деле это квазар RX J1131-1231 на расстоянии 6 млрд световых лет от Земли в созвездии Чаши.

Источник изображения: ESA

Столь необычный вид квазара обусловлен тем, что его изображение дошло до нас в искажённом виде из-за эффекта гравитационного линзирования. Дело в том, что галактика, находящаяся между Землёй и RX J1131-1231, искажает изображение квазара на заднем плане, из-за чего на снимке появляются яркая дуга и четыре образования. По данным Европейского космического агентства (ESA), на сегодняшний день представленный снимок является одним из лучших «линзированных» квазаров, которые удалось запечатлеть.

Что касается гравитационного линзирования, то этот эффект первым предсказал Альберт Эйнштейн. Без углубления в детали принцип действия линзирования можно сравнить с тем, как работает увеличительное стекло. Обладающие массой космические объекты искривляют пространство и время под действием гравитации, из-за чего создаётся увеличительный эффект, позволяющий астрономам заглянуть в глубь космического пространства. Вместе с этим, когда ведётся наблюдение за дальним источником света через другой космический объект, например, галактику, форма дальнего источника света искажается.

«Вся материя во Вселенной искривляет пространство вокруг себя, причём более массивные объекты вызывают более сильный эффект. Вокруг очень массивных объектов, таких как галактики, свет, проходящий рядом с ними, следует за этим искривлённым пространством, отклоняясь от своего первоначального направления на хорошо заметную величину. Одним из последствий гравитационного линзирования является то, что оно может увеличить удалённые астрономические объекты, позволяя астрономам изучать их. Без линзирования такие объекты были бы слишком тусклыми или удалёнными», — говорится в сообщении ESA.

Активные ядра галактик или квазары — это живущие полной жизнью сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик. Эти объекты хорошо известны астрономам, но ещё ни разу не удавалось увидеть их рождение — они для земной науки были всегда. Группе европейских астрономов впервые удалось обнаружить начало пробуждения сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики — увидеть начало рождения квазара, что позволило наблюдать за процессом в реальном времени.

Пробуждение чёрной дыры в центре галактики в представлении художника. Источник изображения: ESO

Стартом для открытия послужило внезапное увеличение яркости до этого ничем не примечательной галактики SDSS1335 + 0728 в конце 2019 года. Эта галактика находится на удалении 300 млн световых лет от нас в созвездии Девы. В принципе, такое случается, когда спокойная чёрная дыра в центре галактики разрывает пролетающую мимо звезду. Это называется приливное разрушение, что на время позволяет чёрной дыре вспыхнуть от вновь падающего на неё вещества.

Но в этот раз это было явно не приливное событие, которое длится от нескольких десятков до сотен дней. Центральная область SDSS1335 + 0728 становилась всё ярче и ярче, что продолжается до сих пор. Такого учёные раньше не встречали. Не исключено, что это что-то новое в приливном разрушении. В то же время остаётся большая вероятность, что мы наблюдаем за рождением квазара или, что звучит устрашающе, за пробуждением сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Почему устрашающе? Чёрная дыра в центре нашей галактики тоже способна выкинуть подобный фокус.

«[Этот] процесс <...> никогда раньше не наблюдался», — поясняют учёные. В предыдущих исследованиях сообщалось, что неактивные галактики становятся активными через несколько лет, но это первый случай, когда сам процесс — пробуждение чёрной дыры — наблюдался в режиме реального времени. «Это то, что может произойти и с нашей собственной Sgr A*, массивной чёрной дырой <...>, расположенной в центре нашей галактики», — добавляют исследователи, но неясно, насколько велика вероятность, что это произойдёт.

Международная группа учёных обнаружила наблюдаемую в созвездии Живописца самую яркую из известных сверхмассивную чёрную дыру, масса которой составляет 17 млрд солнечных, и каждый день она поглощает сравнимый с солнечным объём вещества.

Источник изображений: eso.org

Первоначально объект J0529-4351 считался одной из звёзд в Млечном Пути, поскольку его отличала слишком высокая для квазара яркость в видимом диапазоне. Лишь в прошлом году астрономы из Австралийского национального университета смогли идентифицировать его как квазар — активное ядро галактики на расстоянии 12 млрд световых лет от Земли и в 600 трлн раз превосходит Солнце по яркости. Диаметр аккреционного диска, вращающегося вокруг этой сверхмассивной чёрной дыры, оказался также рекордным — он составил 7 световых лет или в 15 тыс. раз больше расстояния между Солнцем и Нептуном. Ещё одной отличительной особенностью J0529-4351 является то, что его излучение не искажается и не усиливается гравитационными линзами других галактических ядер.

Учёные отметили, что поиск квазаров — непростая задача, требующая точных данных наблюдений на больших участках неба. Массивы необходимых данных настолько высоки, что для их анализа и выявления квазаров часто применяются модели искусственного интеллекта. Но эти модели обучаются на существующих данных, то есть потенциальными кандидатами на статус квазаров становятся лишь объекты, которые похожи на уже известные. И если новый квазар, как в этом случае, оказывается ярче любого из наблюдавшихся ранее, то алгоритм ИИ может его отклонить и классифицировать объект как не очень удалённую от Земли звезду.

Уникальные свойства J0529-4351 помогут учёным в обозримом будущем уточнить массу сверхмассивной чёрной дыры, а также проследить за её вращением вокруг собственной оси — в этом астрономам поможет прибор GRAVITY+, который планируют установить на «Очень большой телескоп» (VLT, Чили). Исследователи смогут оценить соотношение массы сверхмассивных чёрных дыр и яркость производимого ими свечения.

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».

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.

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.

Около 60 лет назад астрономы обнаружили ярчайшие объекты во Вселенной, которые назвали квазарами. Позже стало понятно, что это свечение испускают активные галактические ядра. Точнее, это явление сверхактивности сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. Но уверенно ответить на вопрос о механизме рождения квазаров учёные были не готовы. Новое исследование собрало убедительные доказательства для подтверждения одной из теорий рождения квазаров.

Источник изображения: ESO-M Kornmesser

Так, группа специалистов из университетов Шеффилда и Хартфордшира опубликовала работу, которая доказывает, что источником квазаров являются столкновения галактик. Эта гипотеза выдвигалась и раньше, однако теперь под неё положен прочнейший фундамент из более чем сотни наблюдений за целевыми галактиками и квазарами.

С помощью телескопа им. Исаака Ньютона в Ла-Пальме астрономы в деталях изучили структуры 48 галактик с квазарами и более 100 без них. Они искали признаки искажений в структурах галактик, которые указали бы на предыдущие столкновения пар из них. Выяснилось, что 65 % галактик с квазарами имеют признаки столкновений в прошлом. Среди галактик без квазаров признаки столкновений выявлены только у 22 из более чем 100 объектов. Простые вычисления показывают, что галактики с квазарами имеют в три раза большую частоту проявления признаков столкновений. Из этого можно сделать вывод, что тесные гравитационные взаимодействия пары галактик с большой вероятностью породят квазар, хотя это происходит не со 100-процентной гарантией.

Источником яркости квазаров в широком диапазоне электромагнитных волн являются сверхразогретые внутренние границы аккреационных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр. В этих областях вещество попадает на чёрную дыру и происходит колоссальное выделение энергии на уровне сияния триллионов звёзд. При естественной эволюции галактики сверхмассивная чёрная дыра в её центре постепенно пожирает вещество и ведёт себя относительно спокойно. Когда две галактики с такими дырами входят во взаимодействие — сталкиваются, большие объёмы межзвёздного газа начинают перераспределяться и, в итоге, падают на чёрные дыры в центрах галактик-хозяев. Это как плеснуть бензин в догорающий костёр.

Рождение квазара ведёт к фатальным последствиям для галактики-хозяина. Его активность выталкивает пыль и газ за пределы галактики и развеивает внутри неё. Это снижает активность звезообразования и может совсем остановить процесс появления новых звёзд в галактике. Нашу галактику Млечный Путь ждёт похожая судьба. Примерно через 5 млрд лет она столкнётся с галактикой Андромеда. Учёные не считали это угрозой для жизни на Земле, например, всё-таки звёзды находятся достаточно далеко друг от друга, но если в центре нашей галактики вспыхнет квазар, для чего теперь найдены все основания, всё может повернуться иначе.

Наблюдения космической обсерватории «Хаббл» поставили точку в вопросе существования двойных квазаров в ранней Вселенной. Орбитальный телескоп однозначно перевёл объект SDSS J0749 + 2255 из кандидата во впервые подтверждённую двойную систему квазаров на этапе примерно 3 млрд лет после Большого взрыва. Открытие позволит обнаружить больше подобных объектов, а это путь к пониманию эволюции сверхмассивных чёрных дыр, о которой наука знает мало.

Двойной квазар в представлении художника. Источник изображения: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Объект SDSS J0749 + 2255 был обнаружен космической обзорной астрометрической обсерваторией Gaia. «Гайя» не смотрит так далеко. Точнее, основная её задача — астрометрия или определение трёхмерных координат и радиальных скоростей ближайших к нам звёзд, прежде всего в нашей галактике. Однако датчики «Гайи» улавливают также свет далёких и особенно таких ярких объектов, как квазары (активных галактических ядер и, по совместительству, сверхмассивных чёрных дыр в их центрах).

В данных «Гайи» объект SDSS J0749 + 2255 выглядел скачущим по небу подобно далёкому перемигиванию сигнализации на железнодорожном переезде. Детальное изучение объекта с помощью других астрономических приборов и другими обсерваториями показало, что это пара активных ядер двух сходящихся галактик или квазаров. Поскольку квазары вспыхивали ярче, когда чёрные дыры в их центрах захватывали ближайшее к ним вещество, и это происходило случайным и далеко не синхронным образом, со стороны это выглядело, как прыжки яркого объекта с одного места в небе на чуть-чуть другое.

Двойной квазар на датчиках «Хаббла». Источник изображения: NASA, ESA

Разобраться с объектом и определить до него расстояние помогли наблюдения в целом спектре диапазонов земными обсерваториями им. Кека, «Джемини», VLA и космическими телескопами «Чандра» и «Хаббл». Подвёл черту под исследованиями «Хаббл», который чётко показал, что мы имеем дело с двойным квазаром — двумя активными ядрами галактик, начавших слияние. Расстояние между квазарами оказалось сравнимо с размерами галактики и они начали гравитационное взаимодействие. Согласно расчётам, через 220 млн лет после этого чёрные дыры в их центрах образуют двойную систему и со временем сольются, образуя сверхмассивную чёрную дыру и старую сверхмассивную галактику.

«Мы начинаем открывать вершину айсберга ранней популяции двойных квазаров, — сказал один из ведущих авторов работы, опубликованной в Nature. — В этом уникальность данного исследования. Оно фактически говорит нам, что эта популяция существует, и теперь у нас есть метод идентификации двойных квазаров, которые разделены менее чем размером одной галактики».

Астрономы изменили классификацию ядра одной из отдалённых галактик после того, как было обнаружено, что его релятивистские струи (джеты) изменили своё движение и оказались направленными прямо на Землю. Это событие было зафиксировано впервые.

Источник изображения: ras.ac.uk

В центре большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры — они активно поглощают вещество и попутно производят сильное излучение. Область, в которой происходит этот процесс, называется квазаром. В отдельных случаях они испускают струи заряженных частиц, которые движутся со скоростью, близкой к световой. Если одна из этих струй оказывается направленной прямо на Землю, светимость объекта для наблюдателя оказывается чрезвычайно высокой, и такой объект уже называют блазаром.

Международная группа астрономов обнаружила галактику, ядро которой превратилось из квазара в блазар — такие события прежде не фиксировались. По версии учёных, направление релятивистской струи в какой-то момент изменилось на 90°, и теперь она направлена прямо на Землю. Речь идёт о галактике за номером PBC J2333.9-2343, расстояние до которой составляет 656,8 млн световых лет. Ранее при наблюдении за ней учёные обнаруживали нечто напоминающее джеты с направлением, не указывающим на Землю, поэтому её ядро первоначально причислили к квазарам.

Впоследствии галактику решили изучить более подробно при помощи телескопов в разных диапазонах: радиочастотном, оптическом, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении. В результате в центре галактики был выявлен блазар — объект с сигнатурой джета, направленного прямо на наблюдателя. Учёные также обнаружили две струи вещества, более не связанные с квазаром. Обновлённые данные помогли уточнить оценочный размер галактики, и выяснилось, что это гигант с диаметром в 4 млн световых лет — для сравнения, у нашего Млечного Пути это 100 тыс. световых лет.

Астрономы отметили, что джеты квазаров и ранее меняли направления, но лишь на прямо противоположные друг другу. Смена направления под другим углом обнаружена впервые, а поскольку теперь на пути релятивистской струи частиц оказалась Земля, это привело к изменению классификации объекта. Что вызвало это событие, пока не ясно. Учёные предполагают, что это могло произойти в результате слияния галактик или возобновления активности чёрной дыры после какого-то периода бездействия.

Международная группа учёных, работающая в рамках проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope — EHT), получила изображения квазара NRAO 530, который находится на расстоянии 7,5 млрд световых лет от Земли.

Источник изображения: The Astrophysical Journal

Квазары — активные галактические ядра со сверхмассивными чёрными дырами. Сама чёрная дыра света не излучает, зато излучает поглощаемое ею вещество, которое разогревается до состояния плазмы. Дополнительным источником яркого света оказывается вещество, которое притягивается к чёрной дыре, но не пересекает горизонт событий — оно пролетает мимо с очень высокой скоростью и образует так называемые релятивистские струи или джеты. Изображение квазара NRAO 530 удалось получить при помощи проекта EHT — массива телескопов, предназначенного для наблюдения за сверхмассивной чёрной дырой Стрелец A* в центре галактики Млечный Путь.

Данные, использованные учёными при создании изображения NRAO 530, были получены массивом EHT в 2017 году. Первоначально они применялись для калибровки при визуализации Стрельца A*. Задействовать те же методы не получилось из-за большого расстояния до объекта — оно составляет 7,5 млрд световых лет. Результаты исследования показали, что NRAO 530 относится к классу блазаров: его релятивистские струи направлены почти прямо на Землю.

На изображениях в южном участке струи присутствует яркий объект — исследователи считают, что это радиоядро. Астрофизики также рассчитали поляризацию света, излучаемого различными фрагментами объекта, и составили карту магнитных полей в джетах.