Расположение и перемещение галактик во Вселенной отнюдь не случайно. Помимо явных скоплений галактики связаны нитеподобными структурами. По всей видимости, в основе «нитей» лежит тёмная материя, которая постепенно собирала вокруг себя обычное вещество. Вначале это была слабая космическая паутина, но со временем она становилась всё более прочной и заметной. «Джеймс Уэбб» смог проследить начало формирования призрачных нитей, связывающих галактики в огромные структуры.

Кругами отмечены связанные космической нитью галактики, а объединяющий квазар находится в центре трёх кругов справа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Центрами «сборки» космической паутины считаются сверхмассивные чёрные дыры или активные ядра галактик, которые также называют квазарами. Наблюдение за одним квазаром (J0305-3150) в ранней Вселенной в эпоху реионизации позволило выявить 10 связанных с ним галактик, соединённых космической «нитью» длиной 3 млн световых лет.

«Я был удивлен тем, насколько длинной и узкой является эта нить, — сказал участник исследования Сяохуи Фань (Xiaohui Fan) из Университета Аризоны в Тусоне. — Я ожидал найти что-то, но не ожидал такой длинной, отчётливо тонкой структуры». Руководитель проекта Фейдж Ванг (Feige Wang) из того же университета добавил: «Это одна из самых ранних связанная с далёким квазаром нитевидных структур, которые люди когда-либо находили».

Со временем эта нить превратится в громадное галактическое скопление, и оно где-то есть, а изучение космической паутины на ранних этапах даёт возможность проследить за эволюцией таких процессов.

Проделанная учёными работа входит в рамки проекта по изучению самых первых чёрных дыр. Всего в рамках программы ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era) будут наблюдаться 25 квазаров, существовавших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Программа призвана решить множество загадок, связанных с эволюцией чёрных дыр и одна из них — это слишком быстрое их появление в виде сверхмассивных объектов, на что, в теории, в те времена не хватило бы и времени, и материи.

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.

Три года назад в центре нашей галактики астрономы обнаружили четыре необычных объекта, которые выглядели как гигантские облака газа и пыли, но вели себя как звёзды. Первые два объекта с такими же свойствами были открыты там же около 20 лет назад. Вместе их стали называть «объектами G». Многолетний сбор данных позволил сделать обоснованное предположение о природе загадочных образований.

Объекты G в представлении художника. Источник изображения: Jack Ciurlo/UCLA

В журнале Nature вышла статья, в которой астрономы объяснили вероятную природу объектов G. Первые два из них были открыты в начале нулевых годов и получили названия G1 и G2. Объекты G3, G4, G5 и G6 были обнаружены в 2020 году. Все они «обитают» в центре нашей галактики Млечный Путь и вращаются вокруг сверхмассивной звезды Стрелец А* (Sgr A*). Впрочем, орбиты первых двух объектов сильно отличаются от орбит четырёх других — они ближе к круговым, тогда как остальные объекты движутся по сильно вытянутым орбитам с периодом до 1600 лет, а минимальный орбитальный период объектов G при этом составляет 170 лет.

За первые годы наблюдений сложилось впечатление, что объекты G — это гигантские облака из пыли и газа до 100 а.е. в поперечнике. Однако максимальное сближение объекта G2 с чёрной дырой в 2014 и последующий уход от неё показали, что «облако» повело себя как компактный объект. Если бы это был молекулярный газ (водород), чёрная дыра полностью поглотила бы его с соответствующим выбросом энергии после аккреции. Но этого не произошло. При сближении с чёрной дырой объект стал вытянутой формы, а после удаления вновь приобрёл прежний вид.

По сумме полученных данных астрономы предположили, что объект G2 может быть продуктом слияния двух массивных звёзд в ранее двойной системе. Двойные звёзды могли врезаться друг в друга в процессе эволюции системы, а также под влиянием гравитации сверхмассивной чёрной дыры. Собственно обнаружение шести объектов с похожим поведением в окрестностях Стрельца А* как бы намекает о большой вероятности подобного развитии событий. Столкновение двух массивных звёзд теоретически способно создать одно ядро — звезду — окружённое колоссальным пузырём из газа и пыли.

Орбиты известных объектов G. Источник изображения: Anna Ciurlo/Tuan Do/UCLA Galactic Center Group

В центре галактики обычно массивное звёздное население и двойных звёздных систем там тоже довольно много, чтобы подобные столкновения случались довольно часто и, особенно, в присутствии сверхмассивной чёрной дыры, гравитация которой провоцировала бы такие события. Поэтому неудивительно, что астрономы обнаружили «деревья в лесу при наблюдении за лесом», правда, таких «деревьев» они раньше не видели, а может просто не замечали по незнанию.

Возможно многие из наблюдаемых нами звёзд родились не в процессе обычной эволюции от зародыша протозвезды, а возникли в процессе гибели двойных звёздных систем после слияния звёздных пар. Первые шесть обнаруженных объектов G могут стать толчком к изменениям в теории эволюции звёзд и это важно, поскольку все наши базовые знания о Вселенной строятся на математических моделях и если они в чём-то неверны, то это скажется в области фундаментальной физики и, так или иначе, затронет многие области науки и техники.

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

Источник изображения: AAS 2018

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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