Известно, что потоки улетающего от чёрных дыр вещества и энергии (джеты) способны быстро лишить галактику-хозяйку питания для зарождения новых звёзд и дальнейшего роста. Но теперь сделано открытие, которое заставляет заподозрить джеты во влиянии на вселенские процессы. Учёные обнаружили джеты длиной в 23 млн световых лет — от таких струй изменится архитектура целых локальных участков Вселенной, а это уже инструмент для эволюции мироздания.

Художественное представление джетов из активной галактики в нити тёмной материи. Источник изображения: Caltech

Найденный астрономами Калифорнийского технологического института объект из пары джетов от активной галактики простирается примерно на 7 Мпк (мегапарсек). Это примерно как пять раз слетать туда и обратно в соседнюю с нами галактику Андромеда. Выброс вынес колоссальную энергию из сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики-хозяйки, сравнимую с энергией, выделяемой при столкновении галактических скоплений (10⁵⁵ Дж). В целом учёным повезло с обнаружением этого объекта. Он выявлен на пределе чувствительности наших приборов и если бы возник чуть раньше или был чуть слабее, то явление осталось бы незамеченным.

За свои размеры объект получил имя гиганта Порфириона (Porphyrion) из древнегреческой мифологии. Его джеты раскинулись на 6,4 Мпк. Истинные размеры джетов учёные оценили на уровне чуть более 7 Мпк, поскольку есть признаки того, что мы наблюдаем за ними под небольшим углом в нашу сторону. Сам объект был обнаружен в данных наблюдений радиотелескопа LOFAR за Северным полушарием. Их пропустили через систему машинного обучения и ручной отбор внештатных учёных. Всего было обнаружено свыше 11 тыс. джетов, которые были протяжённее одного Мпк.

Данные по Порфириону были проверены с помощью другого радиотелескопа — uGMRT и дополнены наблюдениями обсерватории Кека. Измерения и спектральный анализ показали, что вероятная галактика — источник джетов — находится на удалении 6,3 млрд лет от Большого взрыва. Струи вещества обычно выбрасываются из полюсов чёрной дыры, где их направляет и ускоряет её электромагнитное поле. Это естественный ускоритель частиц, который в данном случае разогнал вещество джетов (плазму) до скорости 0,012 от световой. Чтобы достичь наблюдаемых размеров струям пришлось путешествовать по Вселенной около 500 млн лет.

Изображение следов джетов в данных радиотелескопов (яркие области означают столкновения джетов с веществом)

Поскольку джеты сохранили форму и направление, учёные делают вывод, что, во-первых, породившая их чёрная дыра не меняла ось своего вращения и, во-вторых, что галактика-хозяйка окружена войдами (пустотами). Джеты не встречали на своём пути достаточно много вещества — газа и пыли — чтобы рассеяться. Это также означает, что галактика-хозяйка находилась в нити тёмной материи, которая как паутиной пронизывает и связывает всю Вселенную и является матрицей для формирования галактик.

С учётом небывалой протяжённости обнаруженных джетов, они могли стать переносчиком массы и энергии в соседние нити и, тем самым, были способны повлиять на основы формирования ткани самой Вселенной. Не исключено, что мы просто не видим всех подобных явлений, особенно на ранних этапах формирования мироздания, когда Вселенная явно была плотнее. Если таких объектов много и они возникают достаточно часто, вероятно придётся их учитывать для моделирования эволюции галактик и Вселенной. Но для этого пока не хватает данных, так что наблюдения будут продолжены.

Почти полвека учёных мучила загадка сигнала Wow!, принятого на Земле 15 августа 1977 года. Радиотелескоп «Большое Ухо» в США уловил 72-секундную радиопередачу, очень похожую на послание иного разума. Передача никогда не повторилась, но и чего-то похожего больше не было, хотя по всей Земле работают сотни радиотелескопов. Новая работа учёных Пуэрто-Рико по архивным данным разрушившегося радиотелескопа «Аресибо» приписывает сигнал «Вау!» природе.

Историческая распечатка. Big Ear Radio Observatory and North American AstroPhysical Observatory

Сигнал «Вау!» был очень мощный и пришёл из пространства, где не было зарегистрированных объектов. В то же время источник оставался неподвижен всё время, что исключает его рождение в Солнечной системе. Также было исключено техногенное происхождение сигнала от помех на Земле. Учёные из Пуэрто-Рико взялись просеять архивные данные радиотелескопа «Аресибо» с целью поискать похожие сигнатуры в других наблюдениях, где действительно обнаружились намного более слабые, но похожие сигналы.

Так, четыре похожих по строению сигнала на частоте нейтрального водорода в 1420 МГц — самого распространённого во Вселенной вещества и, поэтому, подходящего на роль универсальной несущей для межпланетного общения — были обнаружены в районе близкого к Земле красного карлика Тигардена. Эта звезда не могла породить подобные радиосигналы — она слишком слаба. Но невидимый источник микроволнового или мягкого рентгеновского (или гамма) излучения был бы подходящим кандидатом на роль возбудителя сигнала. А кто у нас прячется во тьме космоса с такими возможностями? Это — нейтронная звезда, например, в виде магнетара.

После анализа данных и моделирования, учёные выдвинули предложение считать сигнал «Вау!» исключительно природного происхождения. Для его появления потребовалось сочетание редких, но абсолютно не нулевых возможностей: облако холодного нейтрального водорода, нейтронной звезды позади облака и направление оси вращения (оси выброса джета или излучения) в сторону Земли. Это также объясняет, почему мы больше не регистрировали похожих сигналов.

Выброс излучения нейтронной звезды послужил накачкой для облака нейтрального водорода, которое уже самостоятельно испустило радиосигнал. Тем самым мы стали свидетелями работы водородного мазера естественного происхождения. Кстати, первого в истории наблюдений, если гипотеза пуэрто-риканских учёных будет подтверждена независимыми наблюдениями. Они успели обработать данные «Аресибо» только за четыре месяца: с февраля по май 2020 года. Похожую работу могут проделать коллективы других радиообсерваторий. Будет забавно, если в результате поисков природных источников необычных сигналов обнаружатся послания инопланетян. Почему бы нет? Жизнь полна сюрпризов.

Компания SpaceX разработала способ предоставить спутниковый интернет Starlink в так называемые «зоны радиомолчания» в Нью-Мексико и Западной Вирджинии, где расположены радиоастрономические обсерватории. В сотрудничестве с Национальным научным фондом США и Национальной радиоастрономической обсерваторией (NRAO) компания нашла возможность подключить к Starlink жителей этих регионов, не создавая помех научным исследованиям.

Источник изображений: SpaceX

Зоны радиомолчания выделяются на официальной карте покрытия Starlink как пара темно-синих областей без доступа к высокоскоростному спутниковому интернету компании. SpaceX вынуждена была ограничить доступ, чтобы избежать создания радиопомех местным обсерваториям, которые используют мощные радиотелескопы для проведения космических наблюдений.

Основная проблема заключалась в том, что радиосигналы Starlink попадали непосредственно на чувствительную приёмную аппаратуру радиоастрономических обсерваторий, что могло как помешать наблюдениям, так и повредить оборудование. Для предотвращения этого SpaceX разработала систему для быстрого изменения направленности спутникового сигнала в обход радиотелескопов в момент приближения орбитальных спутников компании. Этапы взаимодействия спутника и радиотелескопа показаны на иллюстрациях ниже.

«Эти методы стали возможными благодаря фреймворку обмена данными в реальном времени между Starlink и радиоастрономическими обсерваториями, которые предоставляют Starlink запланированный график наблюдений телескопа, включая направление наведения телескопа (также известное как “ось прицеливания”) и его наблюдаемую полосу частот», — сообщил представитель SpaceX.

По данным SpaceX, система уже запущена и работает в зоне радиомолчания в Сокорро, штат Нью-Мексико, где базируется телескоп Very Large Array NRAO. В результате местные жители, включая индейское племя Аламо Навахо, теперь имеют возможность пользоваться быстрым спутниковым интернетом Starlink.

Источник изображения: National Radio Astronomy Observatory

«Это великолепное сотрудничество между NRAO и SpaceX, демонстрирующее сосуществование передовых систем спутниковой связи и чувствительных научных приборов, использующих общий спектр», — уверен вице-президент по инжинирингу Starlink Майкл Николс (Michael Nicolls).

Подключение к Starlink также станет возможным в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, где находится ещё один крупный радиотелескоп.

Среди 3000 открытых нейтронных звёзд нет ни одной, которая вращалась бы достаточно медленно. Обычный период вращения этих объектов составляет доли секунды. Поэтому удивлению астрофизиков не было границ, когда в данных радионаблюдения за южным небом обнаружились признаки нейтронной звезды с периодом обращения 54 минуты. Если данные подтвердятся, это заставит изменить наше представление о моделях поведения нейтронных звёзд.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Статья об исследовании вышла в сегодняшнем номере журнала Nature Astronomy. Открытие сделали астрофизики из Сиднейского университета и национального научного агентства Австралии (CSIRO), а также учёные из Манчестерского и Оксфордского университетов. Они изучали южное небо двумя новыми радиоинструментами — ASKAP и MeerKAT. Впоследствии в данных наблюдений обнаружился объект со всеми основными признаками нейтронной звезды, но его радиоизлучение имело период 54 мин, вместо свойственных этим объектам периодов масштаба секунд и долей секунды.

Период радиоимпульса нейтронной звезды соответствует одному обороту вокруг оси. Традиционно это очень и очень быстро вращающиеся объекты, которые возникают после взрыва сверхновых. Если массы ядра звезды после взрыва сверхновой не хватает на образование чёрной дыры, но она достаточно велика, появляется нейтронная звезда с невообразимо высокой плотностью с радиусом около 10 км и массой около 1,4 солнечных масс. До открытия «медленной» нейтронной звезды учёные выстроили модель, которая достаточно хорошо описывала их поведение и характеристики. Теперь в эти модели, вероятно, придётся вносить существенные коррективы.

Остаётся шанс, что учёные обнаружили не нейтронную звезду, а намагниченный белый карлик, хотя предварительные данные указывают на небольшую вероятность подобного события. Новые исследования загадочного объекта помогут пролить свет на это из ряда вон выходящее открытие.

Первый автор работы доктор Маниша Калеб (Manish Caleb) с факультета астрономии Университета Сиднея сказала: «Что интригует, так это то, что этот объект демонстрирует три различных состояния излучения, каждое со свойствами, полностью отличающимися от других. Радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке сыграл решающую роль в разделении этих состояний. Если бы сигналы исходили не из одной и той же точки неба, мы бы не поверили, что это один и тот же объект, излучающий эти разные сигналы».

Ряд научных учреждений направил обращение в Федеральную комиссию связи США (FCC) с просьбой провести дополнительное изучение проблемы влияния спутниковой сотовой связи на радиоастрономию. Такие сервисы, как Starlink Direct to Cell и AST SpaceMobile, потенциально способны не только помешать радионаблюдениям, но также могут физически вывести из строя сверхчувствительную аппаратуру радиообсерваторий.

Источник изображения: Obelixlatino/pixabay.com

Компания Starlink собирается до конца года развернуть спутниковый сервис сотовой связи Direct to Cell, обеспечивающий покрытие там, где нет наземных вышек сотовой связи. Аналогичные услуги готовит также компания AST SpaceMobile. Спутниковые группировки этих компаний уже оказывают помехи астрономическим наблюдениям в оптическом диапазоне. Но с этим как-то можно мириться, и, ради справедливости, скажем, что компании худо-бедно пытаются снизить оптические помехи от своих спутников. Для радиодиапазона всё может быть намного хуже как с точки зрения увеличения помех, так и в виде прямого воздействия мощного сигнала на чувствительное оборудование радиотелескопов.

Комиссия FCC пока не дала добро на развёртывание услуги Starlink Direct to Cell и других подобных. Тестирование технологий проводится в режиме предварительного изучения их возможностей и влияния. Тревогу, кстати, бьют не только радиоастрономы. Другие операторы спутниковых систем связи тоже обеспокоены возможным влиянием передатчиков Starlink на общедоступные спектры и частоты и даже с документами в руках пытаются доказать это той же FCC.

Исторически вокруг радиоастрономических объектов создавались зоны радиомолчания или выбирались такие районы, где помех от радиоисточников либо не было совсем, либо было ничтожно мало. С появлением спутниковой сотовой связи укрыться от неё станет практически невозможно. Достанет везде, если не сразу, то точно через какое-то небольшое количество лет по мере наращивания орбитальных группировок.

Семь лет назад стартовал грандиозный эксперимент по получению первых изображений чёрной дыры. Эти совершенно невидимые и даже сейчас всё ещё гипотетические объекты попытались запечатлеть на снимках. Первым получили изображение сверхмассивной чёрной дыры M87*, а вслед за ним снимок намного меньшей чёрной дыры в центре нашей галактики — Стрелец A* (Sgr A*). И этим дело не ограничилось.

Изображение магнитных полей чёрной дыры Стрелец А* в поляризованном свете. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Следует сказать, что чёрные дыры M87* и Sgr A* находятся на противоположных концах шкалы масс этих объектов. Чёрная дыра в центре нашей галактики имеет всего 2,6 млн солнечных масс (4,3 по другим источникам), что противостоит M87* с массой 6 млрд солнечных. Соответственно, у них такая же разная динамика. Чёрную дыру M87* на удалении 55 млн световых лет от нас можно снимать с выдержкой в несколько дней и даже недель, тогда как более мелкая и юркая чёрная дыра Sgr A* находится всего на расстоянии 27 тыс. световых лет, и снимать её нужно с выдержкой от нескольких минут до часов, иначе чётких структур на изображении не получить.

Что касается самой методики получения снимков, то также следует понимать, что напрямую увидеть объект и его тень нельзя. Объект в принципе недоступен для регистрации в любом электромагнитном диапазоне (об излучении Хокинга мы сейчас не говорим), зато его тень — окружающую чёрную дыру вещество в аккреционном диске, выбрасываемое в пространство электромагнитными полями чёрной дыры, можно легко наблюдать в радиодиапазоне. Проблема тут в низком разрешении отдельных радиотелескопов, поэтому для получения снимков чёрной дыры была создана коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT).

Радиоданные, в отличие от оптических данных (условно — фотографий), достаточно легко объединить в один массив. Поэтому следить за чёрной дырой можно было сразу со многих радиотелескопов, причём не обязательно полностью синхронно. Нужно было лишь точно сопоставить данные наблюдений, например, с помощью атомных часов или сигналов GPS. Потом жёсткие диски с результатами свозились в одно место и обрабатывались как единый массив, полученный виртуальным радиотелескопом размером с Землю.

Изображение M87* было собрано из данных достаточно быстро — уже в 2019 году. На обработку данных о нашей чёрной дыре Sgr A* ушло пять лет. Первое изображение обнародовали только в 2022 году. Это было, как получить чёткий снимок дерева на сильном ветру, сетовали учёные. Но у них получилось, и изображения оказались достаточно похожими, несмотря на огромнейшие различия в массе объектов.

Затем учёные провели наблюдение за M87* в поляризованном свете и синтезировали снимок электромагнитных полей вокруг этого объекта. Возникло разумное желание посмотреть, а как с этим обстоят дела в случае нашей чёрной дыры? Снова наблюдения — и первый результат, который не разочаровал. Впервые полученный в поляризованном свете снимок магнитных полей чёрной дыры Стрелец A* оказался очень и очень похожим на такое же изображение M87*. Из этого учёные делают вывод, что хотя M87* и Стрелец A* совершенно разные по набору характеристик чёрные дыры, устроены они крайне похоже.

Похожесть M87* и Стрелец A* теперь открывает путь к обнаружению джета Стрелец A*. Джет M87* обнаружен около ста лет назад и хорошо наблюдается, что позволяет вычислить скорость вращения чёрной дыры. С нашей дырой пока ничего непонятно. Нам неизвестна её ориентация и скорость вращения. Снимки в поляризованном свете обещают помочь с разгадкой этих тайн, о раскрытии которых учёные совсем недавно даже не думали.

Чёрные дыры теперь не просто позируют на фотографиях, они участвуют в фотосессиях. Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала новые изображения M87* — сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики Мессье 87 — используя данные наблюдений, сделанных в апреле 2018 года. На очереди публикация снимков 2021 и 2022 года, а также подготовка к съёмке в 2024 году. Эйнштейн был бы в восторге.

Изображения чёрной дыры M87* с разницей в один год. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Первое в истории изображение чёрной дыры — объекта M87* — было обнародовано в 2019 году. Данные собирались «Телескопом горизонта событий» в апреле 2017 года. Несколько разбросанных по всей Земле радиотелескопов синхронно наблюдали за объектом в процессе так называемой высокочастотной радиоинтерферометрии. Сеть радиотелескопов превратилась в виртуальный радиоинструмент размерами почти с Землю. Это дало впечатляющее разрешение, что позволило уловить электромагнитные волны от энергетических процессов в аккреционном диске чёрной дыры, удалённой от нас на 55 млн световых лет.

С оптическими телескопами такое провернуть невозможно. Синхронизация по визуальным объектам требует невообразимого объёма данных, тогда как радиоданные легко синхронизируются и свозятся для обработки в единый центр на обычных цифровых носителях. Например, на жёстких дисках. Именно так были получены первые изображения чёрной дыры. Точнее, её тени на фоне аккреционного диска.

В апреле 2018 года коллаборация «Телескопа горизонта событий» провела новый сеанс наблюдений за M87*. Были получены ещё более чёткие и обширные данные, за что надо благодарить, во-первых, новый радиотелескоп в сети — добавилась тарелка в Гренландии и, во-вторых, наблюдение в четырёх частотных диапазонах около 230 ГГц вместо двух, как раньше.

Новое наблюдение позволило закрепить достижение — факт получения отчётливых прямых изображений чёрных дыр. Также учёные убедились, что радиусы тени чёрной дыры и линзированного аккреционного диска за год не изменились, что предсказывало учение Эйнштейна. Наблюдаемой чёрной дыре особенно нечего поглощать в месте её размещения и её рост будет практически незаметным на фоне существования человечества, а не то, что год спустя.

Тем не менее, новые данные позволяют судить о процессах в диске аккреции вещества. Например, яркая область за год сместилась против часовой стрелки примерно на 30°. Также детальное изучение данных раскрывает динамику магнитных полей вблизи объекта, плазмы и энергии. Учёные рассчитывают увидеть джеты этой дыры, пока на изображениях видны только признаки выброса струй энергии.

Кроме того, учёные понемногу оттачивают алгоритмы для анализа изображений чёрных дыр, которые предстают перед нами в своём истинном обличье, если так можно сказать об объектах, в принципе невидимых для наших приборов. Всё что у нас есть — это тень чёрной дыры (втянутые за горизонт событий фотоны) и искажённое чудовищной гравитацией линзированное изображение аккреционного диска.

Группа астрофизиков из Национальной радиоастрономической обсерватории Грин-Бэнк случайно обнаружила нечто необычное — спиральную галактику, в которой не обнаружилось ни одной звезды. Это может быть первым открытием первичной галактики во Вселенной — облака газа, неизменного с начала времён нашей Вселенной.

Красным обозначена удаляющаяся от нас область газа, синим — двигающаяся к нам. Источник изображения: STScI/NSF/GBO/P.Vosteen

Никто специально не собирался смотреть на тот участок неба, куда случайно был направлен радиотелескоп Грин-Бэнк. Планировалось совместное наблюдение совсем другого участка неба в паре с французским радиотелескопом Nançay. Обе группы работали по программе наблюдения галактик низкой поверхностной яркости (LSB galaxy, low-surface-brightness galaxy). Это обычно карликовые галактики с редкими звёздами. Такие объекты на 95 % состоят из тёмной материи и межзвёздного газа в них намного больше, чем видимых звёзд. Тем самым радиотелескоп был готов улавливать данные о межзвёздном газе в наблюдаемой точке, но произошло это как выстрел наугад.

Полученные данные ошеломили учёных. Они увидели объект, получивший индекс J0613+52, размерами и формами напоминающий классическую спиральную галактику как наш Млечный Путь или другие. Однако в нём не было обнаружено ни одной звезды. Облако газа вело себя как галактика и вращалось вокруг своего центра, что показало измерение доплеровского смещения. Одна его область двигалась в нашу сторону, другая — двигалась прочь от нас.

Объект вёл себя так, как если бы из Млечного Пути вдруг пропали все звёзды. Возможно, плотность газа в галактике J0613+52 оказалась недостаточной для запуска процессов звездообразования, а внешних провоцирующих этот процесс событий не произошло. Учёные не исключают, что они просто не увидели звёзд в J0613+52, но оставляют за собой право надеяться, что это может быть первое открытие в нашей части Вселенной первичной галактики, такой, какой она была 13,8 млрд лет назад.

Дальнейшее наблюдение за J0613+52 может быть сопряжено с трудностями, поскольку она видна только в радиоволновом диапазоне. Но это же заставляет задуматься о поиске похожих объектов на других участках неба с помощью радиотелескопов. Учёные нашли нечто потенциально удивительное и теперь не упустят возможности разузнать о нём больше.

На юго-западе Китая стартовала опытная эксплуатация крупнейшего в мире солнечного радиотелескопа. За активностью нашего светила будет следить массив из 313 шестиметровых антенн, расположенных по кругу диаметром 3,14 км. Приближается пик очередного максимума солнечной активности, и китайские учёные готовятся встретить его во всеоружии.

Источник изображений: VCG

Для изучения активности Солнца Китай создаёт сеть наблюдения «Меридиан». Впрочем, новые инструменты будут также наблюдать другие объекты во Вселенной — от пульсаров до околоземных астероидов. Но главной целью для изучения будет оставаться Солнце. Удивительно, но только в 70-х годах прошлого века мы узнали о таком явлении, как коронарный выброс массы Солнца. Засечь с Земли выброс вещества Солнца обычными средствами наблюдения нельзя и, тем более, невозможно сразу определить, в каком направлении стартовала солнечная плазма.

Для околоземных объектов — спутников и космических экипажей — поток высокоэнергичных частиц солнечного ветра и коронарной массы может представлять опасность. К примеру, это уже не раз сбивало спутники Starlink с орбиты — они испытывали торможение в потоке солнечных частиц и сходили с орбиты. Наконец, от солнечной погоды зависит качество связи и управление и, в перспективе, от неё будут сильно зависеть длительные экспедиции, например, к Марсу.

Комплекс антенных решёток Daocheng Solar Radio Telescope (DSRT) в уезде Даочэн на плато в провинции Сычуань построен и сдан в эксплуатацию в конце прошлого года. До лета он проходил настройку приборов и формально введён в работу 14 июля. Массив 6-метровых антенн работает как одно большое радиозеркало диаметром 3,14 км. Все антенны согласованы по фазе, и алгоритм собирает сигналы с каждой из них в одно изображение высокого разрешения.