Квазизвёздные объекты, или квазары, — это активные ядра галактик, свет которых в тысячи раз ярче, чем свет всех звёзд галактики-хозяйки вместе взятых. Рассмотреть что-либо вблизи квазара крайне затруднительно. Между тем окрестности квазаров могут многое рассказать об их эволюции и будущем. «Хаббл» и небольшая хитрость позволили впервые увидеть близкое окружение квазара.

Источник изображений: NASA

Астрономы давно научились наблюдать за Солнцем так, чтобы его яркость не мешала изучать атмосферу и корону. Для этого используются коронографы, которые закрывают диск звезды. У «Хаббла» такого устройства нет, но учёные применили установленный на телескопе спектрограф STIS. Датчик прибора закрыл центральную область квазара 3C 273, что значительно снизило его яркость и позволило разглядеть ряд интересных деталей.

Квазар 3C 273 был одним из первых обнаруженных квазаров около 60 лет назад и стал первым официально подтверждённым объектом такого рода. Он находится на расстоянии 2,5 млрд световых лет от Земли. Если бы квазар располагался всего в нескольких десятках световых лет от нас, он сиял бы на небе, как второе Солнце.

Учёные сравнили новое изображение квазара 3C 273 с архивным, сделанным «Хабблом» 22 года назад. Благодаря использованию своеобразного коронографа на новом изображении удалось разглядеть недоступные ранее детали — «капли» и струю газа длиной 300 тыс. световых лет, что в три раза больше диаметра диска нашей галактики, Млечного Пути. Вероятно, «капли» представляют собой карликовые галактики, притягиваемые к центру квазара — сверхмассивной чёрной дыре. А струя газа — это джет, выбрасываемый чёрной дырой.

Объекты вблизи квазара рано или поздно станут «пищей» для чёрной дыры, что приведёт к новым выбросам энергии. Учёным пока не до конца ясно, что именно и в какой последовательности будет поглощено квазаром. Однако они намерены продолжать изучение 3C 273 с использованием телескопа «Уэбб».

Предсказанное 110 лет назад Эйнштейном гравитационное линзирование было подтверждено наблюдением через четыре года после публикации его работы. Это было сделано благодаря наблюдению искривления света звёзд гравитацией Солнца во время затмения. Десятилетия спустя, с появлением более совершенных телескопов, гравитационное линзирование стало популярным инструментом для изучения Вселенной. Но до недавнего времени никто не видел такого феномена, как «зигзаг Эйнштейна».

Источник изображений: Frédéric Dux

Началось всё с того, что астрономов заинтересовал далёкий квазар J1721+8842. Его первые наблюдения были проведены в 2017 году с помощью панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования (Pan-STARRS), расположенной в обсерватории Халеакала на Гавайях. Объект демонстрировал явление гравитационного линзирования, представ на снимках в четырёх экземплярах.

Как объяснил ещё в 1915 году Эйнштейн, материя тесно связана с пространством-временем. Массивные объекты искажают пространство-время, заставляя свет следовать этим изгибам. Изгибы, как линзы, фокусируют и направляют свет, отчего на снимках телескопов один и тот же объект будет двоиться, троиться и быть видимым одновременно в разных точках пространства. Чаще всего наблюдаются одиночные гравитационные линзы. Может быть, потому что их проще обнаружить? Но иногда возникают причудливые явления, такие как крест или кольцо Эйнштейна, когда фокусирующая свет далёкого объекта масса (галактика или скопление галактик вместе с собранной вокруг них тёмной материей) располагаются точно выверенным образом по отношению к объекту.

Квазар J1721+8842 оказался одним из таких уникальных объектов. А подключение к его наблюдению телескопа «Уэбб» сделало открытие поистине редким и первым в истории. Чувствительность «Уэбба» позволила выявить ещё две копии далёкого квазара — всего шесть. Оказалось, что свет от квазара, расположенного на удалении 11 миллиардов световых лет от нас, преломляется двумя массами — он дважды гравитационно линзируется. Сначала его свет преломляется далёкой галактикой на удалении 10 миллиардов световых лет, а затем более близкой к нам галактикой на расстоянии 2,3 миллиарда световых лет от Земли. Все три объекта выровнены таким образом, что свет от квазара как бы совершает зигзаг в пространстве-времени, отклоняясь сначала одной галактикой, а затем другой. Такого эффекта ещё никто не наблюдал.

Копии квазара обозначены буквами, дуги — это копии далёкой галактики (она тоже «размножилась»), в центре — ближняя галактика

Более того, уникальное расположение линзирующих масс и источника света (квазара) позволяет одновременно провести два измерения — установить ограничения на определение постоянной Хаббла и ввести ограничения в уравнения для оценки тёмной энергии. Обычно можно либо одно, либо другое. Одновременная оценка обеих спорных величин даст науке больше, чем другие измерения.

Что касается постоянной Хаббла, то есть намёки на то, что её величина отличается в местной Вселенной и в ранней. Относительно тёмной энергии вообще мало что понятно. Она «расталкивает» объекты во Вселенной и чем они дальше друг от друга, тем быстрее разлетаются в стороны. Две точки преломления света от J1721+8842 на разных концах Вселенной — это удобная возможность поискать отличия. Впрочем, учёные предупреждают, что выводы делать рано. Сначала необходима углублённая работа теоретиков с учётом полученных данных, а на это могут уйти годы.

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».