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.

Астрономы Саутгемптонского университета (Великобритания) сообщили об обнаружении самой мощной и продолжительной космической вспышки — она в десять раз ярче любой известной сверхновой и в три раза ярче вспышки приливного разрушения, которая возникает при падении звезды в чёрную дыру.

Источник изображения: Felipe / pixabay.com

Событие получило название AT2021lwx, и к настоящему моменту вспышка длится уже более трёх лет — для сравнения, яркие вспышки сверхновых видно лишь несколько месяцев. Событие произошло на расстоянии 8 млрд световых лет от Земли, то есть Вселенной тогда было 6 млрд лет. Исследователи считают, что взрыв порождён поглощаемым сверхмассивной чёрной дырой облаком газа в несколько тысяч раз больше Солнца. При погружении объекта в чёрную дыру через его остатки и её аккреционный диск проходят ударные волны. Такие события являются очень редкими, и ранее ничего подобного наблюдать не приходилось.

В прошлом году учёные зафиксировали самый яркий взрыв за всю историю наблюдений — гамма-всплеск GRB 221009A. Он был ярче, чем AT2021lwx, но и значительно короче, а значит, при вспышке AT2021lwx высвобождается намного больше энергии.

New Technology Telescope. Источник изображения: eso.org

Впервые взрыв AT2021lwx был зафиксирован калифорнийским центром Zwicky Transient Facility, после чего подтверждён телескопами системы ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System) на Гавайях. Истинные масштабы события долгое время оставались неизвестными. Учёных Саутгемптонского университета смутила его продолжительность: вспышки сверхновых и приливных разрушений длятся несколько месяцев, но никак не два года. Астрономы исследовали объект при помощи космической обсерватории Neil Gehrels Swift, New Technology Telescope в Чили, и Большого Канарского телескопа.

Проанализировав спектр излучения, разбив его на разные длины волн и проанализировав различные характеристики излучения и поглощения, учёные смогли оценить расстояние до объекта и его яркость у источника. Он оказался сопоставим с квазарами — яркими вспышками, возникающими при постоянном поглощении сверхмассивными чёрными дырами газа, который падает на них с огромной скоростью. Но яркость квазаров колеблется постоянно, тогда как ещё десятилетие назад признаков AT2021lwx ещё не было — вспышка возникла внезапно, став одной из самых ярких во Вселенной, и это действительно беспрецедентно.

Существует несколько гипотез, объясняющих природу взрыва, но наиболее правдоподобной учёные Саутгемптона считают чрезвычайно большое облако газа, преимущественно водорода, или пыли, которое сошло с орбиты вокруг чёрной дыры и устремилось в неё. Астрономы намереваются получить больше сведений об объекте, изучив его излучение в разных фрагментах спектра, включая рентгеновский диапазон — это поможет выявить поверхность объекта и его температуру, а также понять, какие основные процессы там происходят. А последующее моделирование поможет оценить, насколько жизнеспособны их гипотезы.

NASA выпустило новый анимационный ролик, который даёт зрителю полное представление о размерах сверхмассивных чёрных дыр по сравнению с Солнцем и Солнечной системой. Камера в ролике летит прочь от Солнца и на меняющемся масштабе нам показывают сравнительные размеры сверхмассивных чёрных дыр от нижней наблюдаемой границы до верхней. Все показанные в ролике чёрные дыры имеют реальные и измеренные параметры, и они чудовищны по масштабам.

Источник изображения: Pixabay

Ролик начинается с показа сверхмассивной чёрной дыры (СМЧД) в карликовой галактике под названием J1601+3113. Это объект массой около 100 000 солнечных масс. Строго говоря, чёрная дыра — это компактный сверхмассивный объект. Это условная точка (сингулярность) с огромной массой. Но вокруг неё образуется горизонт событий, который ничто не может покинуть, даже свет.

Радиус горизонта событий соответствует гравитационному радиусу Шварцшильда. Для СМЧД J1601+3113 радиус Шварцшильда (горизонт событий) чуть меньше радиуса Солнца. Но зато благодаря своей тени вокруг горизонта событий СМЧД J1601+3113 выглядит в два раза больше Солнца. Например, если бы Солнце было чёрной дырой, то его радиус Шварцшильда составил бы всего 2,95 км. Иными словами, диаметр горизонта событий у Солнца был бы равен примерно 6 км.

Следующей на видео показана СМЧД в центре одной из близких к нам галактик Циркуль. Размеры объекта вместе с его тенью сравнимы с радиусом орбиты Меркурия. Эта сверхмассивная чёрная дыра имеет 4 млн масс Солнца. Сверхмассивная чёрная дыра меньшей массы — 2,5 млн солнечных масс — за счёт своей тени выглядит масштабнее предыдущего объекта и сравнима уже с радиусом орбиты Земли. Это СМЧД в центре карликовой галактики M32 — ближайшем спутнике галактики Андромеда.

В центре нашей галактики Млечный Путь ещё более масштабный объект — Стрелец А* (Sagittarius A*), масса которого составляет около 4,3 млн солнечных масс, а по своим масштабам он сравним с диаметром орбиты Земли.

Дальше на видео показывается орбита Юпитера и меньшая из двух СМЧД в центре галактики NGC 7727. Меньшая чёрная дыра имеет массу 6,3 млн солнечных масс, а большая —154 млн. Когда-то они были единственными чёрными дырами в центрах своих галактик, но после слияния галактик чёрные дыры из их центров начали сближаться и когда-нибудь сольются в один объект ещё большей массы. Большая СМЧД из этой пары сравнима с диаметром орбиты пояса Койпера.

Дальше масштаб Солнечной системы пропадает и СМЧД массой 2,5 млрд солнечных масс в центре радиогалактики Лебедь А (Cygnus A) позирует на фоне малыша в лице галактики Андромеда. Но даже эти размеры меркнут на фоне СМЧД массой 5,7 млрд солнечных масс в галактике M87. Кстати, это её, точнее, изображение её тени удалось получить непосредственным наблюдением впервые в истории земной науки.

Наконец, появляется настоящее чудовище массой 66 млрд солнечных масс. Это СМЧД TON-618, удалённая от нас на более чем 10 млрд световых лет. Рядом такое счастье точно не нужно. Отдельно интересно добавить, что теоретический предел сверхмассивных чёрных дыр находится на рубеже примерно 50 млрд солнечных масс и объект TON-618 в этом плане очень и очень уникальный.

Учёные Массачусетского технологического института сделали интереснейшее открытие. Они обнаружили событие разрыва звёзды чёрной дырой сравнительно недалеко от нас — всего в 137 млн световых лет от Земли. Это самое близкое событие в истории наблюдений. Более того, впервые наблюдение сделано в инфракрасном диапазоне, чего никогда не было. Новшество открывает путь к открытиям массы событий приливных разрушений, которые раньше были пропущены.

Слева направо: научное изображение объекта во время события, эталонное изображение (по старым наблюдениям), разность в яркости, что показывает само событие, и галактика-хозяин события в оптическом диапазоне. На графиках изменение кривой блеска в спектре диапазонов. Источник изображения: Astrophysical Journal Letters

Астрономам известно около 100 событий приливных разрушений звёзд чёрными дырами в центрах далёких галактик. Считается, что такие события происходят раз в 10 тыс. лет. Пролетающая мимо чёрной дыры звезда захватывается гравитацией чёрной дыры и разрывается ею. Вещество звезды падает на дыру и вызывает вспышку энергии, которая легко наблюдается в рентгеновском и ультрафиолетовом или видимом диапазоне. Собственно, в этих диапазонах и велись наблюдения за событиями приливных разрушений.

Учёные из МТИ решили отступить от практики и взялись поискать признаки приливных разрушений в архивных данных телескопов с инфракрасными датчиками. В данных телескопа NASA NEOWISE такие данные были найдены и событие получило свой идентификатор — WTP14adbjsh. Вспышка была зафиксирована в конце 2104 года и достигла максимальной яркости к 2015 году, после чего её интенсивность начала спадать. Моделирование показало, что это не сверхновая. С большой вероятностью динамика изменения яркости события соответствует явлению приливного разрушения звезды чёрной дырой.

Удивительно, но событие WTP14adbjsh не нашло отражения в рентгеновском и оптическом диапазоне. По мнению исследователей, так вышло по той причине, что галактика NGC 7392, в центре которой сверхмассивная чёрная дыра разорвала звезду, относится к звездообразующим (голубым) галактикам. В таких галактиках много пыли и газа, которые поглощают коротковолновые излучения, но ярко светятся в инфракрасном диапазоне. Телескоп «Джеймс Уэбб» наверняка наведут в сторону этого объекта.

Сделанное учёными открытие приведёт к появлению новой методики поиска приливных разрушений звёзд в инфракрасном диапазоне. Может так статься, что этих событий намного больше, чем мы до сих пор считали. Они были крайне редки в звездообразующих галактиках, но теперь учёные знают, как отбросить пелену завесы над ними.

Наконец, событие приливного разрушения, обнаруженное астрономами МТИ, оказалось всего на 25 % удаления по сравнению с предыдущим самым близким к нам подобным событием. Оно фактически произошло на нашем «заднем дворе», как выразились авторы работы. В этом мало хорошего. Это, конечно, не сверхновая, но если вспышка от поглощения произойдёт ближе и будет направлена на Землю, наша планета может получить опасную дозу радиации. А масштаб потенциально бедствия лучше понимать заранее.

Учёным впервые удалось получить прямое изображение, на котором одновременно оказались сверхмассивная чёрная дыра и испускаемая ей релятивистская струя (джет), которая выбрасывается с близкой к световой скоростью и соединяется с материей, которую поглощает эта чёрная дыра. Событие произошло в ядре галактики Мессье 87 (М 87). Ранее удавалось получить изображение либо самой чёрной дыры, либо её джета, но не всего одновременно.

Источник изображения: eso.org

Первое в истории изображение сверхмассивной чёрной дыры М 87, которая имеет массу в 6,5 млрд раз больше солнечной и находится на расстоянии около 53 млн световых лет от Земли, было получено в 2017 году при помощи Телескопа горизонта событий (EHT), но обнародовано только через два года. Новое изображение объекта и его джета было создано на основе данных, полученных в 2018 году комплексом радиотелескопов GMVA и ALMA, а также Гренландским телескопом, которые сформировали виртуальный инструмент наблюдения планетарного масштаба — во многом как EHT.

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры составляют ядра почти всех или вообще всех крупных галактик. И некоторые из этих объектов поглощают большое количество вещества в виде газа и пыли, а также звёзд, которым непосчастливилось оказаться слишком близко. При этом чёрные дыры выбрасывают мощные релятивистские струи вещества, которые движутся с околосветовой скоростью и имеют протяжённость в несколько тысяч световых лет — иногда далеко за пределы галактик, в которых они возникли. Однако механизмы этого процесса пока изучены недостаточно.

Помимо джета, на изображении видна так называемая тень чёрной дыры. Когда поглощаемое вещество с околосветовой скоростью вращается вокруг чёрной дыры, оно разогревается и светится — в результате образуется яркое золотистое кольцо, в центре которого находится полная тьма, и она называется тенью чёрной дыры. Новое изображение М 87 отличается от снимка, сделанного Телескопом горизонта событий — оно включает в себя излучение в диапазоне с более длинными волнами. Кроме того, на новом изображении размер кольца оказался на 50 % больше, чем на предыдущем. Это может свидетельствовать, что поглощение вещества сверхмассивной чёрной дырой происходит интенсивнее, чем считалось ранее. В будущем учёные планируют исследовать окрестности М 87 в разных диапазонах радиоволн, что поможет изучить релятивистские струи более плотно.

Группа американских учёных предприняла попытку улучшить первое в истории прямое изображение чёрной дыры — оно было получено в 2017 году, а «позировала» на этом снимке сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M 87 (Messier 87) на расстоянии более 53 млн световых лет от Земли.

Слева оригинальное фото, справа — улучшенное ИИ. Источник изображения: iopscience.iop.org

Изображение объекта было получено в 2017 году при помощи Телескопа горизонта событий (EHT) — сети радиотелескопов планетарного масштаба, действующих как единый инструмент. В оригинальном виде снимок имеет вид «нечёткого пончика», поэтому исследователи решили улучшить его качество при помощи алгоритма PRIMO на основе машинного обучения. Как пояснили исследователи, система искусственного интеллекта была обучена на 30 000 симуляций чёрных дыр. Иными словами, ИИ оперировал данными, основанными на том, что человеку известно о законах Вселенной, и особенно о чёрных дырах.

Чёрные дыры — загадочные космические объекты, которые образуются, когда умирающие звезды коллапсируют под действием собственной гравитации. Звезда превращается в объект относительно небольшого размера, а граница чёрной дыры называется горизонтом событий, и всё его пересекающее обратно уже не возвращается, даже свет.

«На самом деле мы изучаем корреляции между различными участками снимка. Для этого мы анализируем десятки тысяч изображений высокого разрешения, созданных симуляциями», — прокомментировала проект астрофизик Лия Медейрос (Lia Medeiros). По словам исследователей, изображение согласуется с тем, что предсказывал Альберт Эйнштейн. Дополнительно повысить качество изображений помогут новые решения в области искусственного интеллекта и совершенствование приборов на телескопе.

В серии наблюдений «Хаббла» астрономы увидели явную помеху — светлый росчерк, который сочли попаданием в датчик космической частицы. Но детальное изучение снимка принесло нечто ранее невиданное. Оказалось, что на снимке чёрная дыра во всю прыть убегала из двойной системы чёрных дыр и на ходу теряла зарождающиеся звёзды. Такое-то придумать сложно, а увидеть — так просто чудо.

«Космический бильярд» глазами художника. Источник изображения: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Согласно проделанным расчётам, сверхмассивная чёрная дыра с массой около 20 млн масс Солнца быстро удаляется от двойной системы чёрных дыр. Беглянка оставила за собой невиданный ранее шлейф из новорожденных звёзд длиной 200 000 световых лет. Длина шлейфа в два раза превышает диаметр нашей галактики Млечный Путь — это колоссальное и абсолютно необычное образование.

«Мы думаем, что видим за чёрной дырой след, в котором газ охлаждается и способен образовывать звезды. Таким образом, мы наблюдаем звездообразование за чёрной дырой, — сказал ведущий автор исследования. — То, что мы видим, это последствия. Как след за кораблем, мы видим след за чёрной дырой». Учитывая, что шлейф за чёрной дырой почти в два раза ярче связанной с ним галактики, в следе должно быть много новых звёзд, полагают учёные.

Чёрная дыра не успевает поглотить вещество позади себя, поскольку движется очень быстро. Но и летящий впереди неё газ тоже падает на дыру не весь. Это ионизированный кислород, ярко светящийся на снимке либо от аккреции вещества на дыру, либо от ударных процессов. Что там происходит точно, учёные не берутся пока судить. Для этого будут проведены дополнительные исследования, включая наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба».

То же событие на датчиках «Хаббла». Источник изображения: NASA, ESA

Условным началом этого необычного космического бильярда можно считать вероятное образование 50 млн лет назад двойной системы из чёрных дыр — она родилась из двух сошедшихся галактик. Затем появилась третья галактика со своей сверхмассивной чёрной дырой в центре и в системе началась гравитационная разбалансировка. Одна из трёх чёрных дыр получила импульс и была выброшена из галактики-хозяина. Она полетела в одну сторону, а пара других дыр — в другую. Похоже, что двойная система чёрных дыр тоже покидает галактику-хозяина, поскольку в её центре чёрные дыры не определяются, а на границе замечена активность.

Ждём новых данных от телескопов «Джеймс Уэбб» и «Чандра». Обнаруженное астрономами событие настолько необычное, что оно ещё сможет удивить.

Анализируя данные, полученные европейским космическим телескопом Gaia, астрономы обнаружили две ближайшие к Земле чёрные дыры. Объекты получили названия Gaia BH1 и Gaia BH2 — первая наблюдается в созвездии Змееносца и находится на расстоянии 1560 световых лет от Земли; вторая обнаружена в созвездии Центавра в 3800 световых годах от нас.

Источник изображения: esa.int

Оба объекта по-своему уникальны, и обнаружить их удалось, изучив особенности движения вращающихся вокруг них звёзд-компаньонов: странные колебания указали учёным, что эти звезды вращаются вокруг неких массивных объектов — в обоих случаях их массы составляли около десяти солнечных. Массивные объекты не излучали света, поэтому очевидно, что речь идёт о чёрных дырах.

До недавнего времени все известные астрономам чёрные дыры обнаруживались посредством изучения, обычно в рентгеновском и радиодиапазонах, — его производит поглощаемое объектом вещество. Но Gaia BH1 и Gaia BH2 оказались по-настоящему чёрными, и выявить их удалось исключительно по гравитационным эффектам. Высоты орбит звёзд, вращающихся вокруг этих чёрных дыр, оказались необычно большими, что отличает их от так называемых рентгеновских двойных систем с низкой орбитой звезды вокруг чёрной дыры. Это дало учёным повод предположить, что двойные системы нового типа могут встречаться относительно часто.

Космический телескоп Gaia оказался подходящим инструментом для обнаружения подобных объектов — он с высокой точностью измеряет положение и особенности движения миллиардов звёзд, что позволяет извлекать важные сведения об объектах, оказывающих на эти звезды гравитационное воздействие. К таким объектам относятся другие звезды, планеты и чёрные дыры.

Следы Gaia BH2 в рентгеновском и радиодиапазонах попытались обнаружить специалисты, работающие с американской космической рентгеновской обсерваторией «Чандра» (Chandra X-ray Observatory) и радиотелескопом MeerKAT в ЮАР. В обоих случаях ничего обнаружить не удалось, и эта информация как раз представляет большую ценность. Звезда-компаньон испускает большие объёмы частиц в виде звёздного ветра, и отсутствие излучения указывает, что чёрная дыра поглощает не так много вещества, поскольку её горизонт событий пересекает небольшое число частиц. И учёные пока не нашли ответа, почему так происходит.

Всего час наблюдений «Джеймса Уэбба» за галактикой в ранней Вселенной помог сделать открытие, которое может стать мостиком к раскрытию одной из загадок в эволюции Вселенной — как и каким образом образовались первые сверхмассивные чёрные дыры, если во время их роста не было необходимых для этого условий. Эволюция чёрных дыр изобилует пробелами, и все новые данные о них имеют особую ценность.

Источник изображения: Pixabay

Открытие сделано при наблюдении за галактикой EGSY8p7 (позже переименована в CEERS_1019), обнаруженной ещё в данных «Хаббла» в 2015 году. Это галактика из ранней Вселенной, примерно в 570 млн лет от Большого взрыва. Удалённость объекта и эффект расширения Вселенной сместили свет от неё далеко в инфракрасную область — это как раз специализация «Джеймса Уэбба».

Первоначально объект EGSY8p7 был интересен учёным по причине ярчайшего проявления эффекта звездообразования. Чувствительные спектрометры «Уэбба» увидели в спектре галактики влияние иных явлений, кроме звездообразования. Оказалось, у EGSY8p7 (CEERS_1019) активное галактическое ядро, что означает наличие там активно растущей сверхмассивной чёрной дыры. Увидеть одновременно оба явления — это оказалось удивительным.

Расчёты показали, что масса чёрной дыры у EGSY8p7 в 10 млн раз превышает массу Солнца. Это относит её к нижнему уровню сверхмассивных чёрных дыр. Это не первый подобный объект в ранней Вселенной. Ранее там были открыты гораздо более крупные чёрные дыры: галактика-квазар J1342+0928, обнаруженная в 690 млн лет после Большого взрыва, имеет сверхмассивную чёрную дыру массой в 800 миллионов Солнц, а чёрная дыра в J0313-1806, обнаруженная в 670 млн лет после Большого взрыва, имеет массу 1,6 млрд Солнц.

В то же время в обоих галактиках-квазарах в спектре доминирует активное ядро, чего нет в случае галактики EGSY8p7. Поэтому она может быть промежуточным этапом в эволюции сверхмассивных чёрных дыр. А ведь «Уэббу» дали только час на совершение этого интересного открытия! Учёные уверены, что вскоре «Джеймс Уэбб» начнёт выдавать такой огромный поток новых данных по этим и другим объектам в ранней Вселенной, что наше понимание об эволюции звёзд и устройства мира перейдёт на новый качественный уровень.

9 октября 2022 года произошло небывалое ранее событие. Практически все гамма-телескопы в космосе и на Земле оказались ослеплены мощнейшей за всю историю наблюдения гамма-вспышкой. По грубым оценкам, это событие в 1000 раз превзошло интенсивность типичных гамма-всплесков. Датчики приборов не были рассчитаны на такую мощность и не смогли определить силу сигнала. Впрочем, это по чистой случайности удалось сделать китайскому телескопу.

Китайские телескопы, которые смогли. Источник изображения: IHEP

Как отметили в пресс-релизе NASA, данные о событии GRB 221009A, которое также окрестили BOAT — The brightest of all time или, по-русски, «ярчайшим за всё время», — восстанавливали всем миром, включая Россию и Китай. На основе собранной информации сделан вывод, что гамма-всплеск GRB 221009A был в 70 раз мощнее самого яркого предыдущего такого события. Также изучение статистики за всё время наблюдения гамма-вспышек, а их зафиксировано 12 тыс., позволяет сделать вывод, что подобные ярчайшие вспышки могут случаться один раз в 10 тыс. лет.

Данные по событию. Реконструкция для телескопа «Ферми». Источник изображения: NASA's Goddard Space Flight Center and Adam Goldstein (USRA)

По словам китайских астрономов, данные по вспышке GRB 221009A получены в основном благодаря небольшому китайскому орбитальному гамма-телескопу GECAM-C. Чисто случайно почти все датчики аппарата были отключены, когда он вошёл в зону наблюдения за вспышкой GRB 221009A. «Это как прищуриться, когда вы решили взглянуть на Солнце», — пояснили специалисты. Тем самым приборы измерения на борту GECAM-C не были перегружены и смогли получить наиболее полные данные по событию, которые также были дополнены данными с китайского рентгеновского телескопа Insight-HXMT.

По оценкам китайских учёных, интенсивность GRB 221009A была ниже — лишь в 50 раз мощнее самого яркого из прежде зафиксированных всплесков. Обнаружена другая странность. Луч выброса был очень и очень узким — всего 0,7 °, тогда как раскрытие ранее фиксируемых джетов обычно было порядка 5 °. Эти данные могут дать новую пищу для уточнения моделей поведения сверхновых, схлопывающихся в чёрную дыру — именно в эти моменты происходят гамма-всплески, как считают учёные. По их мнению, гамма-всплеск — это первый вздох только что родившейся чёрной дыры.

В то же время, ярчайший гамма-всплеск GRB 221009A не был самым мощным по выбросу энергии. Ярким он стал только по одной причине — он был направлен точно на Землю. Вернее, Земля оказалась на его пути, ведь само событие произошло 2 млрд лет назад и луч преодолел это расстояние за соответствующее количество лет. Очень хорошо, что такое происходит не так часто, не с такой точностью и не так близко. Если подобный выброс даже краешком затронет Землю после возникновения в нашей галактике, наша планета может стать стерильной от любой биологической жизни.

Учёные из Даремского университета в Великобритании смогли более точно определить массу сверхмассивной чёрной дыры в центре массивного галактического скопления Abell 1201 на удалении около 2,7 млрд световых лет от нас. Это оказался настоящий монстр, масса которого превышает массу Солнца в 32,7 млрд раз. Размеры горизонта события этой дыры настолько большие, что туда поместилось бы шесть Солнечных систем вместе с облаком Оорта.

Эффект гравитационного линзирования. Источник изображения: NASA, ESA & L. Calçada

Чёрная дыра в галактическом скоплении Abell 1201 неактивная и поэтому она никак не видна в наши приборы. Если бы дыра поглощала окружающее вещество, то мы могли бы видеть излучение от перегретого внутреннего края диска аккреции. Обнаружить объект помог эффект гравитационного линзирования. Он настолько сильный, учитывая сверхмассу чёрной дыры, что далёкая фоновая галактика выглядит на изображении, как натуральная бровь над глазом.

Свет от далёкой фоновой галактики искажается и усиливается благодаря эффекту искажения пространства-времени. Всё это можно использовать в расчётах, что дало первый результат при подсчёте массы чёрной дыры в центре Abell 1201. Исследователи из Даремского университета воспользовались новыми наблюдениями и смогли уточнить массу объекта. Она оказалась на 7 млрд масс Солнца больше первоначально полученного значения и это крайне интересно.

Дело в том, что нам известно всего десять сверхмассивных чёрных дыр подобной массы. Это важно, поскольку мы приближаемся к теоретическому пределу по этому показателю. Считается, что чёрная дыра не может быть тяжелее 50 млрд масс Солнца. Доказать существование объекта массой 32,7 млрд масс Солнца — это подойти ближе к теоретической границе и сделать наше понимание Вселенной чуть чётче.

«Эта конкретная чёрная дыра, которая примерно в 30 млрд раз превышает массу нашего Солнца, является одной из самых больших из когда-либо обнаруженных и находится на верхней границе того, насколько большими, по нашему мнению, теоретически могут стать чёрные дыры, поэтому это чрезвычайно захватывающее открытие», — объяснил физик Джеймс Найтингейл (James Nightingale) из Даремского университета.

Изображение Abell 1201 BCG, на котором хорошо видна линзированная галактика в виде мазка в правом верхнем квадранте. Источник изображения: Smith et al., MNRAS

Полученный результат, подтверждённый длительным моделированием, ставит чёрную дыру Abell 1021 BCG в десятку самых массивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день. Диаметр горизонта событий составит более 1290 а.е. Для сравнения, расстояние от Солнца до Плутона составляет всего 40 а.е., а расстояние от Солнца до края облака Оорта не более 100 а.е. В эту чёрную дыру войдут шесть Солнечных систем в ряд вместе со своими облаками Оорта, что просто поражает воображение.

«Этот подход [методика подсчёта массы] может позволить нам обнаружить гораздо больше чёрных дыр за пределами нашей локальной Вселенной и показать, как эти экзотические объекты эволюционировали в космическом времени», — уверяют учёные. О работе рассказано в одном из престижных астрономических журналов — Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Центр Млечного Пути — самая враждебная среда нашей галактики, где любому веществу суждено быть съеденным сверхмассивной чёрной дырой в зоне её досягаемости. В каком-то смысле — это Дикий Запад Млечного Пути, пограничье. Тем удивительнее открытие зарождающейся звезды в зоне активности чёрной дыры. Там не должно быть условий для образования звёзд, но она там родилась и продолжает расти.

Центр нашей галактики в инфракрасном диапазоне. Источник изображения: NASA/SOFIA/JPL-Caltech/ESA/Herschel

Некоторое время назад астрономы обнаружили сгусток межзвёздного газа и пыли в виде кометного хвоста недалеко от чёрной дыры Стрелец А* (Sgr A*), который получил название X3. Каково же было их удивление, когда внутри был выявлен объект, оказавшийся молодой звездой. Звезду X3a внутри облака X3 помогли обнаружить множественные наблюдения в инфракрасном и инфракрасном ближнем диапазоне. Только эти излучения пробивали толстую газопылевую оболочку вокруг молодой звезды.

Анализ излучения показал, что физико-химический состав и строение объекта X3a характерны для молодой звезды. Причём родилась она по астрономическим меркам за мгновение до обнаружения — всего несколько десятков тысяч лет назад. В зоне нахождения звезды-младенца условий для её рождения не было — слишком близко чёрная дыра и слишком велико её влияние на окружающую среду, а рождаться звёзды могут только в холодном межзвёздном газе без интенсивного света в ультрафиолетовом диапазоне.

Учёные предположили, что звезда была рождена в другом месте и постепенно мигрировала туда, где её обнаружили. В принципе, у астрономов есть на примете место, где эта звезда могла родиться, и где могли также родиться другие звёзды, хотя центр галактики — не самый лучший дом для проживания звёздного населения.

Более того, младенческая звезда по мере движения в сторону чёрной дыры подъедала всё на своём пути и разрослась до гигантских размеров, если сравнивать с нашим Солнцем. Её радиус в 10 раз больше радиуса Солнца, а масса больше в 15 раз. Светимость же X3a превышает светимость Солнца в 24 тыс. раз. Впрочем, для звёзд-гигантов динамика роста выглядит обычной для столь юного возраста.

В целом объект X3a будут изучать более пристально, поскольку его существование и расположение так близко к сверхмассивной чёрной дыре бросает вызов нашему пониманию не только звездообразования, но и функционирования чёрных дыр.

Новое исследование, проведённое с помощью рентгеновского телескопа «Чандра» агентства NASA, позволило установить, что две пары сверхмассивных чёрных дыр в центрах карликовых галактик находятся на пути столкновения друг с другом. Это первое запечатлённое свидетельство такого масштабного явления обеспечит учёных важной информацией о процессах формирования галактик на ранних этапах существования Вселенной.

Космическая обсерватория «Чандра». Источник изображения: Гарвардский университет

Карликовые галактики обычно состоят из звёзд общей массой менее 3 млрд от солнечной, то есть — они примерно в 20 раз менее массивны, чем Млечный путь. Астрономы давно считали, что вскоре после Большого взрыва карликовые галактики сливались, превращаясь в структуры, существующие сегодня. Тем не менее, существующие технологии не позволяют наблюдать за слиянием первого поколения карликовых галактик, поскольку они чрезвычайно малозаметны на огромных расстояниях. Тактика наблюдений за близкорасположенными галактиками пока не принесла результатов.

Новое исследование с применением «Чандры» и сравнением результатов с данными инфракрасного телескопа Wide Infrared Survey Explorer (WISE) и оптических данных Телескопа Канада — Франция — Гавайи (CFHT) позволила составить подробную картину. «Чандра» оказался особенно полезным, поскольку материя, окружающая чёрные дыры, может нагреваться до миллионов градусов, генерируя интенсивное рентгеновское излучение. Команда учёных начала специально искать пары ярких источников рентгеновского излучения в сталкивающихся карликовых галактиках и вскоре нашла свидетельства присутствия двух пар, предположительно чёрных дыр на пересекающихся курсах.

Источник изображения: NASA

Одна пара, расположенная в галактическом скоплении Abell 133, находится в 760 млн световых годах от Земли (левый снимок). Данные «Чандры» — розового цвета, а оптические от CFHT — синего. Пара галактик пребывает в ранней стадии слияния, длинный видимый хвост создан приливными эффектами, проявившимися в результате столкновения. Учёные прозвали данное событие Mirabilis в честь вымирающего вида колибри, известного чрезвычайно длинными хвостами. Слияние галактик практически завершилось.

Вторая пара открыта в галактическом скоплении Abell 1758S в 3,2 млрд миллиардах световых лет от Земли. Сталкивающиеся галактики на снимке справа получили «прозвища» Эльстир (Elstir) и Вентейль (Vinteuil), в честь персонажей «В поисках утраченного времени» Марселя Пруста. Галактики расположены снизу и сверху соответственно. Учёные считают, что эта пара обнаружена на ранних стадиях слияния, в результате чего между галактиками образовался мост из звёзд и газа благодаря гравитационному взаимодействию.

Детали наблюдений могут обеспечить учёных информацией о далёком прошлом Млечного пути. По мнению учёных, путь слияний прошли все крупные галактики, росшие миллиарды лет. Описание результатов наблюдений опубликовано в последнем выпуске журнала The Astrophysical Journal.