Группа китайских учёных опубликовала в Nature статью, в которой сообщила об обнаружении кандидата в редкие чёрные дыры звёздной массы. Объект массой 3,6 солнечных находится на удалении 5825 лет от Земли. Подобных кандидатов найдено меньше десятка. Открытие может дать ответы на множество вопросов о чёрных дырах предельно малой массы, которые учёные, возможно, просто ещё не научились регистрировать.

Чёрная дыра звёздной массы в представлении художника. Источник изображения: Daniëlle Futselaar/artsource.nl

Китайские учёные для поиска экзотических объектов воспользовались данными европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia). Спутник собирает данные о скорости и направлении движения звёзд в нашей галактике и немного за её пределами. Это позволит создать наиболее полную объёмную динамическую карту Млечного Пути, которая уже стала источником ценных данных о далёких звёздах и системах.

В частности, группа исследователей обнаружила необычно движущегося по небу красного гиганта, получившего идентификатор G3425. Звезда с массой 2,7 солнечных за 880 дней описывала в небе почти правильную окружность вокруг некого центра масс. Учёные заново проанализировали найденный объект собственными приборами и не обнаружили вблизи центра масс никакого регистрируемого источника излучения — обычной звезды или нейтронной звезды. Ответ остаётся только один — там находится чёрная дыра звёздной массы, расчёты которой определяют объект как 3,6 солнечных масс.

Согласно общепринятой теории, белые карлики не могут быть тяжелее 1,4 масс Солнца, а нейтронные звёзды не превышают 2,3 солнечных масс. Всё что тяжелее, под действием гравитации должно схлопнуться и стать чёрной дырой. Проблема в том, что обнаружено крайне мало кандидатов на роль чёрных дыр звёздной массы. Ради справедливости надо сказать, что такие объекты сложно обнаружить. Они оказывают очень слабое гравитационное воздействие на партнёров, чтобы его можно было различить нашими приборами. Также такие объекты не отличаются прожорливостью в силу своих маленьких размеров, что затрудняет их обнаружение в рентгеновском диапазоне, когда вещество падает на чёрную дыру и излучает.

Находка объектов, подобных G3425, крайне ценна для понимания эволюции чёрных дыр. При этом она оставляет вопросы. Например, круговая орбита красного гиганта в теории не должна была сохраниться в двойной системе, одна из звёзд которых взорвалась сверхновой и превратилась в чёрную дыру. Вторую звезду либо сорвало бы прочь, либо сделало бы её орбиту сильно вытянутой. Впрочем, идеальные открытия случаются ещё реже. Остаётся наблюдать и искать подобное, чтобы потом методами статистического анализа подобраться к истине.

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.

Группа американских учёных при помощи космических телескопов «Чандра» (Chandra) и «Хаббл» (Hubble) обнаружила расположенную в относительной близости от Земли пару сверхмассивных чёрных дыр, которые ждёт слияние.

Источник изображений: nasa.gov

Две сверхмассивные чёрные дыры расположены в переживающих слияния галактиках MCG-03-34-64 на расстоянии 800 млн световых лет от нас — сами объекты разделяют всего 300 световых лет. Они активно поглощают газ и пыль в окрестностях, производя выбросы излучения и вещества — джеты. Такие области называются активными ядрами галактик, и они могут быть настолько яркими, что их свет перебивает свет всех звёзд в их галактиках.

Эта пара находится на огромном расстоянии от Земли, но это все равно самая близкая пара активных ядер галактик, которые наблюдаются в нескольких диапазонах: у «Хаббла» это видимый свет, а у «Чандры» — рентгеновское излучение. Ранее была обнаружена пара сверхмассивных чёрных дыр, расположенных ближе друг к другу, чем эта, но их присутствие удалось подтвердить только в радиочастотном диапазоне.

В будущем расстояние между двумя объектами будет сокращаться. Вращаясь вокруг друг друга, они производят рябь в пространстве и времени — гравитационные волны. Это вызывает сокращение их углового момента, провоцируя сближение чёрных дыр. Примерно через 100 млн лет они окажутся настолько близко друг к другу, что их огромная гравитация возьмёт верх, после чего произойдёт их столкновение и слияние.

Считается, что двойные активные ядра галактик в ранней Вселенной были распространенным явлением, когда чаще происходили и слияния самих галактик. Сейчас учёным представилась уникальная возможность наблюдать это явление — двойную систему открыли благодаря счастливой случайности: «Хаббл» обнаружил её среди данных, указывавших на высокую концентрацию кислорода в небольшой области MCG-03-34-64. Впоследствии этот же регион изучили при помощи «Чандры».

На достигнутом астрономы останавливаться не стали — они запросили архивы наблюдений наземного комплекса VLA (Very Large Array) в американском штате Нью-Мексико, и те показали, что пара сверхмассивных чёрных дыр также испускает мощные радиоволны. «Хаббл» же обнаружил и третий яркий источник света в этой области: предполагается, что это газ, на который оказал воздействие плазменный джет, выпущенный одной из чёрных дыр — так струя воды из садового шланга обрушивается на кучу песка.

Небольшая доля известных чёрных дыр излучает сигналы в рентгеновском диапазоне, структура которых напоминает человеческое сердцебиение. Китайские учёные в новом исследовании, возможно, нашли объяснение этому странному явлению.

Поглощение вещества чёрной дырой в объекте Лебедь X-1. Источник изображения: icrar.org

Чёрные дыры хотя и не являются живыми объектами, у них может быть своё сердцебиение, если они поглощают большие объёмы газа. И авторы нового исследования попытались разобраться в этом процессе. Когда чёрная дыра находится в двойной системе, то есть делит орбиту со звездой, она вытягивает из своего компаньона газ. Когда это происходит, газ сжимается и нагревается до чрезвычайно высоких температур, испуская при этом интенсивное рентгеновское излучение. Этот процесс, например, помог идентифицировать чёрные дыры в Лебеде X-1 — одном из самых ярких источников рентгеновского излучения на небе.

При этом интенсивном поглощении вещества, которое может продолжаться тысячи и даже миллионы лет, иногда может происходить колоссальный выброс — внезапная рентгеновская вспышка, вызванная быстрым потреблением огромного количества вещества за один раз. В такой вспышке оказывается встроен регулярный импульс активности, который учёные сравнивают с сердцебиением, потому что его схема напоминает человеческую ЭКГ с медленным нарастанием, быстрым спадом и последующим возвращением к норме.

Астрономы Основной лаборатории астрофизики элементарных частиц Китайской академии наук в Пекине изучили последнюю такую вспышку и описали процесс, который может её подпитывать. Эту вспышку произвела чёрная дыра IGR J17091-3624 на расстоянии 28 000 световых лет от Земли — данные были получены при помощи телескопов Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) и Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) в 2022 году. В яркой вспышке астрономы обнаружили явные доказательства присутствия сигнала, похожего на сердцебиение. Изучая его свойства, они пришли к выводу, что эти виды импульсов вызваны взаимодействиями и нестабильностью в веществе, которое окружает чёрную дыру.

Когда вещество падает в чёрную дыру, оно сжимается и формирует тонкий диск, который быстро вращается. Внутренний край этого диска наклонён к горизонту событий, а остальная его часть светится в рентгеновском диапазоне. Образуется нестабильность — излучение диска вступает в противодействие с гравитацией чёрной дыры. При возникновении сердцебиения диск фрагментируется, теряет связность, а к чёрной дыре устремляется большой сгусток вещества. Он производит интенсивное излучение, которое оказывается началом сердцебиения. Это излучение нагревает газ, что временно препятствует его падению. Далее газ успокаивается, и процесс повторяется, подготавливая почву для другого цикла сердцебиения. Такие сигналы чрезвычайно редки — их показали лишь две чёрные дыры, — но учёные надеются продолжить изучение этого явления, поскольку оно даёт ценную информацию о связи чёрных дыр и их окружения.

Группа учёных из Государственного университета Пенсильвании провела глобальный анализ динамики роста сверхмассивных чёрных дыр. Данные брались из показаний рентгеновских обсерваторий и моделирования. Работа позволила проследить за тем, как сверхмассивные чёрные дыры набирали примерно 90 % своей массы за последние 12 млрд лет. Набор первоначальных 10 % массы остался тайной времён юной Вселенной, разгадать которую ещё предстоит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Сверхмассивные чёрные дыры (СЧД) с массой более одного миллиона солнечных в основном растут за счёт двух процессов: аккреции вещества (его падения на чёрную дыру) и слияния с другими чёрными дырами. О скорости и интенсивности аккреции, которая предсказуемо увеличивает массу СЧД, можно напрямую судить по интенсивности рентгеновского излучения от этих объектов. Разогретый газ во внутренней зоне аккреционного диска попадает также на полюса СЧД, где его энергия выплёскивается вместе со струёй вещества (в джете). В рентгене это всё отлично отображается и измеряется космическими рентгеновскими обсерваториями. Рассчитать скорость набора массы по этим данным не составит труда, и в среднем она составляет одну солнечную массу в год.

Слияния чёрных дыр более сложный процесс для измерения динамики питания СЧД. Но у учёных есть наблюдения, что обычно происходит при слияниях двух и более галактик с СЧД в центрах каждой из них. Если подключить к вычислениям статистику, то моделирование даст более-менее точную оценку роста СЧД от процессов слияния. Согласно полученным данным, этот процесс соответствует приросту массы СЧД на одну солнечную каждые несколько десятилетий.

Описанные процессы набора массы сверхмассивными чёрными дырами объясняют набор лишь 90 % массы каждой из них, что произошло за последние 12 млрд лет. За оставшиеся 1,8 млрд лет после Большого взрыва у нас нет данных, как будущие СЧД смогли набрать 10 % своей массы. Это ещё предстоит выяснить, с чем сейчас, например, помогает разбираться инфракрасная обсерватория «Джеймс Уэбб». Также интересно отметить, что СЧД перестали расти примерно 8 млрд лет назад. Похоже, необходимый для их питания газ к тому времени был в основном поглощён, а процессы слияния замедлились из-за расширяющейся Вселенной.

Учёные сообщили о крупнейшем за всю историю наблюдений приливном разрушении чёрной дырой очень массивной звезды. По горячим следам вспышки её приняли за сверхновую, хотя она полыхнула на удалении 9 млрд световых лет. Детальное изучение явления позволило сделать сенсационный вывод — это была гибель самой массивной в истории наблюдений звезды от оков гравитации чёрной дыры.

Художественное представление приливного разрушения звезды чёрной дырой. Источник изображения: ESA/C. Carreau

Событие TDE AT2023vto было невероятно ярким. Немудрено, что оно поначалу было приписано явлению сверхновой. Последующий анализ данных и наблюдение за объектом во всех доступных диапазонах волн показали, что мы с большой вероятностью имеем дело с разрушением звезды в пределах гравитационного воздействия чёрной дыры. Расчёты заставили удивиться учёных. На обед чёрной дыре досталась звезда, в девять раз массивнее Солнца (9,1 массы). Совершившая это злодейство чёрная дыра в центре далёкой галактики тоже была немаленькая — в 10 млрд раз массивнее нашей звезды.

До сих пор явления приливного разрушения охватывали диапазон масс от 0,1 до 2 солнечных масс. На этом фоне зафиксированное 9 сентября 2023 года событие TDE AT2023vto стало огромным по масштабам. Для учёных это настоящая находка — лабораторный эксперимент с новыми переменными, который никогда нельзя будет поставить в земной лаборатории. Поэтому за местом явления будут продолжать следить.

Кстати, есть ещё один повод продолжить наблюдение. Событие TDE AT2023vto не сопровождалось обычным в таких случаях релятивистским джетом — своеобразной отрыжкой чёрной дыры, выбросом излучения и энергии в пространство с субсветовой скоростью. Такое происходит, когда вещество падает на чёрную дыру. Тем самым TDE AT2023vto стало самым далёким из обнаруженных событием приливного разрушения без джета или с джетом слабой интенсивности, что делает открытие вдвойне интереснее.

Всего в 0,1 световом годе от центра Млечного Пути может находиться чёрная дыра промежуточной массы — существование таких объектов пока не доказано, а кандидатов можно пересчитать по пальцам одной руки. Между чёрными дырами звёздной массы и сверхбольшими существует пропасть, что делает необъяснимым обычную эволюцию чёрных дыр. Как и другие объекты во Вселенной, чёрные дыры должны питаться и расти постепенно, а не перескакивать из одного состояния в другое.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Примерно четверть века назад в центре нашей галактики было открыто компактное звёздное скопление IRS 13. Оно с самого начала ставило учёных в тупик, а по мере совершенствования инструментов наблюдения становилось всё загадочнее и загадочнее. Сначала учёные думали, что это сверхмассивная звезда. Затем IRS 13 переквалифицировали в двойную звёздную систему. Потом сочли, что это так называемая звезда Вольфа–Райе. Новая работа астрономов из Кёльнского университета показала, что IRS 13 может быть небольшим звёздным скоплением с компактным источником массы внутри.

Но во всём этом есть одна изюминка. Скопление IRS 13 расположено рядом с чёрной дырой Стрелец A* (Sgr A*) массой 4,3 млн солнечных масс, расположенной в центре Млечного Пути. Чёрная дыра Стрелец A* должна была повлиять на траекторию звёзд в скоплении IRS 13 и разорвать его. Однако этого не происходит, что заставило учёных заподозрить о существовании некоего «цементирующего» центра у скопления.

Анализ движения звёзд в IRS 13 и моделирование показали, что в середине скопления может находиться компактный невидимый объект массой 30 тыс. солнечных. Поскольку в промежутке масс от 100 до 100 тыс. солнечных масс нет достаточно надёжно подтверждённых чёрных дыр, уверенное открытие объекта массой 30 тыс. солнечных масс обещает стать значимым событием в астрономии. Это может быть первая подтверждённая чёрная дыра промежуточной массы, которая гарантировано не могла появиться после взрыва сверхновой или от слияния двух ядер звёзд. Она должна была питаться и эволюционировать обычным образом, чтобы вырасти до измеряемой массы.

Учёные попытались больше узнать о таинственном объекте в центре IRS 13 и обнаружили в месте предполагаемого размещения чёрной дыры рентгеновское излучение и облако ионизированного газа, вращающегося со скоростью 130 км/с, что стало ещё одним подтверждением обнаружения именно чёрной дыры. Поскольку одна работа не может служить надёжным доказательством удивительного открытия, наблюдения за объектом IRS 13 будут продолжены. Если там действительно окажется чёрная дыра, то она также будет считаться кандидатом для поглощения чёрной дырой Стрелец A*, а это ещё один шажок в сторону обычной эволюции чёрных дыр: они действительно питаются и растут.

Обнаружить чёрные дыры — та ещё задача, ведь они буквально невидимы во всех диапазонах излучения. Но абсолютно неуловимыми оказались чёрные дыры промежуточной массы, превышающие массу Солнца в 10–10 000 раз. Меньше — пожалуйста, больше — сколько угодно. Но между крайними состояниями — пустыня. Но так было. Новая работа предполагает обнаружение наиболее вероятного кандидата в чёрные дыры промежуточной массы и даже недалеко от нас.

Источник изображения: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Открытие сделали учёные, решившие изучить калибровочные данные космического телескопа «Хаббл». Более 20 лет телескоп калибровал свои приборы, делая снимок самого близкого к нам в нашей галактике шарового скопления Омега Центавра (NGC 5139). Это скопление удалено от Земли на 18 тыс. световых лет и содержит миллионы звёзд. За всё время набралось свыше 500 превосходных снимков этого объекта, что позволило отследить траектории движения множества его звёзд.

Анализ траекторий звёзд в центре скопления выявил аномалию для семи из них. Их скорости оказались слишком большими, чтобы оставаться в центре скопления. Что-то удерживало эти звёзды, и это что-то должно было быть довольно компактным. Моделирование показало, что наиболее вероятным кандидатом для обнаруженного явления может быть чёрная дыра массой около 8200 солнечных масс или больше. Не исключено, что там может быть компактная группа чёрных дыр меньшей массы. В любом случае для учёных появился шанс сделать долгожданное открытие чёрной дыры промежуточной массы.

Для науки пока большая загадка, как чёрные дыры проскакивают пустыню от объектов малой массы к сверхмассивным. Они ведь должны расти постепенно? Следовательно, во Вселенной должно быть неисчислимое количество чёрных дыр промежуточной массы, но их нет и это проблема.

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.

Эпоха реионизации Вселенной была насыщена различными событиями в жизни первых галактик, включая их столкновения. До сих пор учёные обнаруживали отдельные галактики (квазары), но не их тесные пары во взаимодействии. Первым удивительное открытие сделал учёный из Японии, который в данных телескопа Subaru увидел признаки слияния двух древних галактик примерно через 900 млн лет после Большого взрыва.

Художественное представление столкновения двух квазаров. Источник изображения: International Gemini Observatory

«Существование сливающихся квазаров в эпоху реионизации ожидалось долгое время, — объяснил астроном Йошики Мацуока (Yoshiki Matsuoka) из Университета Эхимэ в Японии. — Теперь это впервые подтверждено». «Просматривая изображения кандидатов в квазары, я заметил два похожих и чрезвычайно красных источника рядом друг с другом, — сказал автор работы. — Открытие было чисто случайным».

Чтобы подтвердить открытие и выяснить детали события были проведены новые наблюдения с использованием телескопов Subaru, Gemini North, а также радиотелескопа ALMA. Данные с радиотелескопа проходят обработку и будут представлены в отдельной работе (они дадут характеристику пыли и газа вокруг сливающихся галактик). Данные с телескопов Subaru и Gemini North раскрыли суть явления и представлены в работе, принятой к публикации в апреле этого года.

Что было видно в телескоп «Субару». Источник изображения: NOIRLab/NSF/AURA/T.A. Rector, D. de Martin & M. Zamani

Выяснилось, что два объекта — квазары или активные ядра галактик — находились очень далеко от нас и в тесном взаимодействии друг с другом. Между квазарами было всего 40 тыс. световых лет. Их соединял газовый мост, доказывающий обмен веществом и работу процесса слияния. Значительная доля света от каждого квазара возникала от процесса звездообразования. В то же время в центре каждого из квазаров находилась колоссальная чёрная дыра, массой около 100 млн солнечных масс каждая . Для сравнения, чёрная дыра в центре нашей галактики имеет массу всего 4,3 млн солнечных масс. Обнаружение очередного древнего и супермассивного объекта — это снова удача и снова задача для теоретиков, слишком быстро и очень большие чёрные дыры стали обнаруживаться в ранней Вселенной.

Открытие японского учёного недолго оставалось единственным в своём роде. Через несколько недель появилась новая публикация, данные для которой собрал невообразимый «Джеймс Уэбб». С его помощью было открыто ещё более раннее слияние двух сверхмассивных чёрных дыр (квазаров) — всего через 740 млн лет после Большого взрыва.

Джеты — струи плазмы — сверхмассивных чёрных дыр хорошо различимы во многих спектрах от гамма-диапазона до видимого. Но это не означает, что учёные в полной мере представляют микрофизику струй. Что на самом деле происходит в облаке летящей с околосветовой скоростью плазмы — это всё ещё загадка, ответ на которую пытаются дать теория и моделирование. Попытку воспроизвести плазменную струю чёрной дыры на Земле совершили физики ЦЕРНа. И у них получилось.

Художественное представление джета чёрной дыры. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Для эксперимента учёные воспользовались установкой HiRadMat для бомбардировки материалов высокоэнергетическими пучками протонов. С её помощью обычно исследуются перспективные материалы или компоненты ускорителя. На этот раз учёные были намерены получить струю плазмы в виде электрон-позитронных пар. Считается, что именно такая плазма преобладает в джетах сверхмассивных чёрных дыр. Для этого пучок протонов в количестве 300 млрд частиц с синхротрона направили на мишени из графита и тантала. Удар по мишеням запустил каскад взаимодействий частиц, в результате которого возникло достаточное количество электрон-позитронных пар для поддержания стабильного состояния плазмы.

Энергии протонов было достаточно, чтобы из ядер углерода в графите были высвобождены субатомные частицы пионы. Пионы в свою очередь быстро распадались на гамма-лучи высокой энергии. Затем эти гамма-лучи взаимодействовали с электрическим полем тантала, которое производило пары электронов и позитронов. В ходе тестового запуска было произведено 10 трлн электрон-позитронных пар — этого более чем достаточно, чтобы искусственно созданное облако частиц начало вести себя как настоящая плазма.

Источник изображения: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics illustration / Heather Palmer

«Основная идея этих экспериментов заключается в воспроизведении в лаборатории микрофизики астрофизических явлений, таких как струи из чёрных дыр и нейтронных звезд, — рассказали исследователи. — То, что мы знаем об этих явлениях, получено почти исключительно из астрономических наблюдений и компьютерного моделирования, но телескопы не могут по-настоящему исследовать микрофизику, а моделирование требует приближений. Лабораторные эксперименты, подобные этим, являются связующим звеном между этими двумя подходами».

Группа физиков из Массачусетского технологического института подвела основу под теорию идентичности тёмной материи и первичных чёрных дыр. Сделано это оригинальным образом — за счёт внедрения в процесс новых элементов — экстремально маленьких экзотических чёрных дыр с цветовым зарядом. Исследователи доказали, что влияние этих экзотических дыр на первичные чёрные дыры было достаточным для последующего обнаружения. Осталось найти эти следы.

Источник изображения: Kaća Bradonjić

Полвека назад физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предположил, что тёмная материя — это проявление влияния рассеянных по Вселенной первичных чёрных дыр — объектов «размером с атом и массой астероида». Они невидимы, но их гравитация искажает пространство-время и притягивает к себе обычное вещество, порождая в процессе звёзды, галактики и всё-всё-всё. Тем самым вместо поиска экзотического тёмного вещества (тёмной материи), нам следовало бы уделить всё внимание поискам первичных чёрных дыр.

Предполагается, что первичные чёрные дыры образовались через одну квинтиллионную долю секунды (10^-18) после Большого взрыва. Они коллапсировали из сверхплотного в те мгновения вещества и затем рассеялись во Вселенной. Как теперь установили физики из MIT, за доли мгновений до зарождения первичных чёрных дыр и отчасти одновременно с их формированием родились ещё более экзотические и микроскопические чёрные дыры «размером с протон и массой носорога».

Эти экзотические дыры испарились также быстро после своего рождения, но они могли воздействовать на образование первичных чёрных дыр и этот след, теоретически, можно будет обнаружить, доказали учёные. Поскольку микроскопические чёрные дыры могли образоваться лишь из кварк-глюонной плазмы, то они приобрели бы свойственный этим субэлементарным частицам экзотический цветовой заряд. Именно влияние этого заряда, который не мог появиться у обычных чёрных дыр даже первичных, поскольку в процессе «сборки» обычные чёрные дыры приобрели бы нейтральный заряд, должно было оставить память о появлении ещё более экзотических чёрных дыр сразу после Большого взрыва.

Обнаружение этих следов, существование которых физики доказали лишь теоретически, поможет доказать происхождение тёмной материи, как следствие влияния на мир первичных чёрных дыр. Фактически, учёные заменили одну экзотику другой. Осталось только определить, какая из версий соответствует реальному положению дел.

«Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических объектов сегодня поблизости нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые могут проявляться в малозаметных сигналах сегодня, — пояснил Дэвид Кайзер (David Kaiser), профессор физики Массачусетского технологического института. — В рамках идеи о том, что вся тёмная материя может быть образована чёрными дырами, это дает нам новые возможности для поиска».

Астрофизики из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета представили новую модель эволюции первичных чёрных дыр. Эти миниатюрные объекты, как считается, могли бы играть роль тёмной материи, став своего рода центрами кристаллизации вещества и инициаторами появления всего в нашей Вселенной — звёзд, галактик и прочего. Японцы в этом усомнились.

Коротковолновые события ПЧД с сильнейшей амплитудой могли влиять на реликтовое излучение. Источник изображения: ESA

Согласно распространённой в научной среде гипотезе, первичные чёрные дыры возникли на этапе после Большого взрыва в процессе быстрого (инфляционного) расширения Вселенной, когда из объекта меньше атома она расширилась на 25 порядков. В процессе этого Вселенная перестала быть однородной. Сегодня мы наблюдаем следы этой неоднородности в виде реликтового излучения — космического сверхвысокочастотного микроволнового фона. Изучение слабых отклонений в реликтовом излучении может дать подсказку о происходящих 13,8 млрд лет назад процессах на самых ранних его этапах. Именно этим занялись исследователи из Японии.

Учёные применили к наблюдаемым данным хорошо изученную квантовую теорию поля. Эта теория помогает нам разбираться с поведением элементарных частиц, что также хорошо согласуется с измерениями. Перенос квантовой теории поля на космологию показал, что первичные чёрные дыры (ПЧД) должны были оказывать измеряемое влияние на реликтовое излучение. Сами по себе они неспособны влиять на сверхвысокочастотные волны, но в достаточном количестве первичные чёрные дыры должны были бы в отдельных случаях оказать когерентное влияние на микроволновый фон — усилить амплитуду отдельных волн излучения.

Если бы первичных чёрных дыр во Вселенной было много, то отклонений в показаниях реликтового излучения было бы намного больше. Тогда, в частности, первичные чёрные дыры можно было бы рассматривать в качестве кандидатов на роль тёмной материи. Но этого не наблюдается, и квантовая теория поля хорошо объясняет, почему это так. Сейчас учёные ожидают новых данных наблюдений гравитационно-волновых обсерваторий LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, которые, в том числе, находятся в разгаре поисков следов первичных чёрных дыр. И у них есть немалые шансы получить подтверждение своей модели.

За последние семь лет с неба пропали свыше 800 звёзд. Некоторые из них исчезали за считанные часы — в краткие перерывы между наблюдениями. Учёные давно начали подозревать, что при определённых обстоятельствах звёзды могут коллапсировать сразу в чёрные дыры без превращения в сверхновую и выброса энергии. Но надёжных доказательств этому не было. Новая работа по изучению двойной системы с чёрной дырой и голубым гигантом обещает пролить свет на исчезающие звёзды.

Художественное представление системы VFTS 243. Источник изображения: ESO/L. Calçada

Астрофизики из Копенгагенского университета провели детальное наблюдение за системой VFTS 243 в Большом Магеллановом Облаке, удалённой на 160 тыс. световых лет от Земли. В системе находится одна чёрная дыра массой около 10 солнечных и голубой гигант с массой 25 солнечных масс. Чёрная дыра, как показывают наблюдения и расчёты, образовалась в результате коллапса другой массивной звезды в конце её жизни. Вот только в системе нет следов взрыва сверхновой, которая, как считается, ставит точку в жизни звезды.

«Обычно вспышки сверхновых в звёздных системах можно определить массой способов после того, как они произошли, — поясняют авторы исследования. — Но, несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, которая коллапсировала в чёрную дыру, следов взрыва нигде не обнаружено. VFTS 243 — необычная система. Орбита системы практически не изменилась с момента коллапса звезды в чёрную дыру».

В опубликованной в журнале Physical Review Letters работе исследователи пишут, что чёрная дыра в системе VFTS 243, вероятно, образовалась мгновенно, причём выброс энергии в основном пришёлся на нейтрино. Это означает, что стадией сверхновой можно было пренебречь.

«Если бы кто-то стоял и смотрел на обычную переживающую полный коллапс звезду, это было бы похоже на то, что в один момент звезда внезапно гаснет и исчезает с небес, — говоря авторы работы. — Коллапс настолько полный, что взрыва не происходит, ничто не улетучивается, и никто не увидит яркой сверхновой в ночном небе».

Проделанная работа не ставит точку в деле о неудавшихся сверхновых. Но она заставляет по-новому взглянуть на аналогичные случаи, благо таких может быть достаточно много для уточнения наших знаний о финальных этапах эволюции звёзд.

Джеты чёрных дыр — субсветовые выбросы частиц и вспышки сфокусированного гамма и рентгеновского излучения — смертельно опасны на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. И если этого мало, то учёные выяснили, что джеты оказались непредсказуемыми. Наблюдение за 16 чёрными дырами в центрах галактик показало, что направление смертоносного луча колоссальной мощности может сравнительно быстро измениться на угол до 90 °.

Вращение чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Данные получены международной группой астрономов с использованием космической рентгеновской обсерватории NASA «Чандра» (Chandra) и радиоинтерферометра Very Long Baseline Array (VLBA). Учёные искали следы брешей в газопылевых облаках вокруг или вблизи чёрных дыр — это были следы ударов предыдущих джетов, а также активные джеты. Тем самым удалось проследить, как менялись направления высокоэнергетических струй в течение времени.

«Мы обнаружили, что около трети лучей теперь направлены в совершенно иных направлениях, чем раньше, — рассказал астрофизик Франческо Убертози (Francesco Ubertosi) из Болонского университета в Италии. — Эти чёрные дыры "Звезды смерти" поворачиваются и указывают на новые цели, подобно вымышленной космической станции из "Звёздных войн"».

Около трети изученных джетов (30–38 %), по-видимому, значительно изменили направление (более чем на 45 °) за период в 10 млн лет или меньше. Похоже, что это относительно обычное явление для сверхмассивных чёрных дыр. В ряде случаев наблюдались изменения направления почти на 90 °. Самое короткое время, за которое происходила перестройка на другую цель, составило всего около 1 млн лет. В космическом масштабе это довольно быстрая смена направления.

«Учитывая, что возраст этих чёрных дыр, вероятно, превышает 10 млрд лет, мы считаем, что значительное изменение направления в течение нескольких миллионов лет является быстрым, — заявил астрофизик Геррит Шелленбергер (Gerrit Schellenberger) из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) в США. — Изменение направления лучей гигантской чёрной дыры примерно за миллион лет аналогично изменению направления движения нового линкора в течение нескольких минут».

Исследование истории джетов чёрной дыры в рентгеновском и радиодиапазоне. Источник изображения: NASA/CXC/Univ. of Bologna

Поскольку эти струи затрудняют слияние газа и формирование звезд, любые изменения в их ориентации имеют важные последствия для состава окружающих их галактик. Очевидно, последствия будут также для биологической жизни, если она попадёт под такой «прожектор». Остаётся только радоваться, что подобные объекты очень и очень далеко от Солнечной системы. Впрочем, нас могут подстерегать другие опасности — вспышки сверхновых, нейтронные звёзды или килоновы, которые тоже выбрасывают смертоносные джеты.