Астрономы обнаружили одну из самых больших черных дыр

В 1931 году индийско-американский физик Субрахманьян Чандрасекхар предложил дополнение к общей теории относительности Эйнштейна, которое постулировало существование черных дыр. К 1972 году астрономы получили первые убедительные доказательства существования этих объектов в нашей Вселенной. Наблюдения за квазарами и центром Млечного Пути показали, что большинство массивных галактик имеют в своих ядрах сверхмассивные черные дыры (СМЧД). С тех пор изучение черных дыр показало, что эти объекты различаются по размеру и массе - от микрочерных дыр (МЧД) и промежуточных черных дыр (ПЧД) до сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Используя астрономическое моделирование и метод, известный как гравитационное линзирование, международная группа астрофизиков обнаружила, возможно, самую большую черную дыру из когда-либо наблюдавшихся. Эта сверхмассивная черная дыра (UMBH) имеет массу, примерно в 30 миллиардов раз превышающую массу нашего Солнца, и находится вблизи центра скопления галактик Abell 1201, примерно в 2,7 миллиардах световых лет от Земли. Это первый случай обнаружения черной дыры с помощью гравитационного линзирования, который может позволить исследованиям, направленным на поиск черных дыр в более далеком космосе и углубить наше понимание их размеров и масштабов.

Исследование проводилось учеными из Центра внегалактической астрономии (CEA) Даремского университета, Института астрофизики Макса Планка (MPIA) и Исследовательского центра Эймса НАСА. Исследование проводилось под руководством доктора Джеймса Найтингейла при поддержке Космического агентства Великобритании (UKSA), Королевского общества, Совета по научно-техническим средствам (STFC) и Европейского исследовательского совета (ERC). Статья с описанием полученных результатов недавно появилась в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Гравитационное линзирование (ГЛ) - это явление, предсказанное общей теорией относительности, которая описывает, как искривление простра времени искажается из-за присутствия массивных объектов. Эта техника предполагает использование астрономами массивных объектов на переднем плане (например, галактик или скоплений галактик) для усиления света от более удаленных объектов. Это позволяет астрономам изучать объекты, которые иначе были бы недоступны для них либо из-за расстояния, либо из-за наличия других объектов на той же линии видимости. Эта техника также позволяет астрономам более детально изучать удаленные объекты, такие как скопление Abell 1201.

Доктор Найтингейл и его коллеги начали изучать это скопление в 2004 году, когда профессор Аластер Эдж, астроном Даремского университета и соавтор данной работы, просмотрел снимки галактического обзора и заметил в его окрестностях гигантскую линзу. Для этого исследования доктор Найтингейл, профессор Эдж и их коллеги изучили данные космического телескопа "Хаббл" (HST) в нескольких диапазонах, включая видимый свет, рентгеновские лучи и другие длины волн. Следуя за тем, что увидел Хаббл много лет назад, команда сравнила данные с моделированием на новом суперкомпьютере DiRAC COSmology MAchine 8 (COSMA8) в Даремском университете.

Используя программное обеспечение с открытым исходным кодом (PyAutoLens), на которое полагаются астрономы для моделирования сильных линз, команда смоделировала свет, проходящий между Abell 2021 и Землей несколько тысяч раз. Каждая симуляция включала черную дыру с различной массой и то, как это повлияет на путь света, который он проделает за 2,7 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. Результаты показали, что СМЧД, расположенная в галактике переднего плана, более чем в 30 миллиардов раз массивнее нашего Солнца, объясняет то, что увидел Хаббл. Астрономы редко видят черные дыры такой массы, и эта находка (если она подтвердится) станет самой большой черной дырой из когда-либо обнаруженных.

Кроме того, впервые астрономы использовали технику гравитационной линзы для обнаружения такой массивной черной дыры. Более того, это может помочь астрономам в будущем узнать больше о СМЧД. Обычно астрономы в основном ограничиваются изучением активных черных дыр из-за их яркости в нескольких диапазонах длин волн. Это вызвано тем, что газ и пыль притягиваются к черным дырам и образуют плотно прилегающие диски, которые разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света (релятивистская скорость).

В результате материал в диске становится высокоэнергетичным, испуская излучение в видимом свете, инфракрасном, рентгеновском, радиоволновом и других диапазонах. То же самое происходит, когда материал вливается и аккрецирует на поверхность черной дыры, разрываясь на субатомном уровне. Это характерно для активных галактических ядер (АГЯ), когда центр галактики светится ярче, чем все звезды в галактических дисках. Данное исследование показало, как по наличию мощного АГЯ можно судить о спящих черных дырах, которые светятся значительно слабее.

Команда надеется, что это исследование приведет к более глубокому изучению черных дыр, чему будет способствовать новый класс 30-метровых телескопов, которые начнут работать в ближайшем будущем. К ним относятся Чрезвычайно большой телескоп (ELT), Гигантский Магелланов телескоп (GMT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT), которые будут сочетать большую чувствительность с адаптивной оптикой и интерферометрами. Вместе с улучшенным анализом данных и новыми методами астрономы, вероятно, смогут изучить еще более удаленные черные дыры и получить дополнительные сведения об этих чудовищах.

Близлежащая активная галактика исследована с помощью обсерватории Чандра

С помощью рентгеновской обсерватории НАСА "Чандра" астрономы провели глубокие рентгеновские наблюдения близлежащей активной галактики NGC 5728 и ее активного галактического ядра. Результаты опубликованные 1 марта на сервере препринтов arXiv, предоставляют важную информацию о свойствах этой галактики и излучения от нее. Активные галактические ядра - это компактные области в центре галактики, более яркие, чем окружающие галактики. Они очень энергичны, что объясняется либо наличием черной дыры, либо активностью звездообразования в ядре галактики NGC 5728, расположенная на расстоянии около 146 миллионов световых лет в созвездии Весы, представляет собой активную спиральную галактику размером почти 100 000 световых лет и оценочной массой около 72 миллиардов солнечных масс. Это галактика типа 1.9 по классификации Сейферта, с сильно затуманенным и сложным активным галактическим ядром, питаемым сверхмассивной черной дырой в ее центре. Группа астрономов под руководством Анны Триндаде Фалькао из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) в Кембридже, штат Массачусетс, решила наблюдать NGC 5728 с помощью усовершенствованного CCD-спектрометра обсерватории Чандра (ACIS) с основной целью определить детальные морфологические и спектральные свойства расширенного рентгеновского излучения из центра галактики. "Мы анализируем наблюдения Чандры за активным галактическим ядром NGC 5728 для изучения диффузного рентгеновского излучения, как спектрально, так и пространственно, в зависимости от энергии", - пишут исследователи в статье.

В результате наблюдений была обнаружена общая протяженность излучения более низкой энергии на расстоянии около 13 000 световых лет в направлении главной оси NGC 5728, что также является направлением ионизационного биконуса. Результаты показывают, что размер протяженного излучения зависит от энергии, причем более мягкое излучение (ниже 3 кэВ) более протяженное, чем более жесткое.

Исследование показало, что диффузная эмиссия также расширена в направлении кросс-конуса и что пропускание в направлении кросс-конуса составляет около 2% от направления биконуса. Полученные данные указывают на присутствие жесткого рентгеновского излучения в масштабах килопарсека, что говорит о неоднородной, комковатой структуре тора, которая позволяет излучению выходить из центральной (околоядерной) области на большие радиусы.

Кроме того, результаты показывают, что отношение числа обнаруженных фотонов в области крестового конуса к области биконуса составляет около 16%, ниже 3 кэВ, и уменьшается примерно до 5% в диапазоне энергий 3-6 кэВ. Астрономы предполагают, что причиной этого явления может быть большая концентрация плотных молекулярных облаков в центральной области, поскольку эти облака отвечают за рассеивание и отражение высокоэнергетических фотонов от ядра в диске галактики.

Меняют магнитное поле, как Солнце и Земля: черные дыры снова сделали нечто невозможное

Черные дыры не могут изменять свое магнитное поле. Но новое исследование говорит об обратном. Сама по себе черная дыра не может иметь магнитное поле. Но плазма, которая ее окружает в аккреционном диске (диск из вещества, которое притягивает к себе черная дыра) имеет магнитное поле. Заряженные частицы во время вращения вокруг черной дыры его и создают. Сам поток плазмы не меняется, поэтому можно говорить о том, что магнитное поле стабильно. Но ученые из NASA обнаружили, что это магнитное поле все же изменилось, сообщает Universe Today. Для лучшего понимания магнитного поля, представьте, что это поле обычного магнита, у которого есть два полюса. Изменение магнитного поля происходит тогда, когда меняется положение этих полюсов и соответственно меняется само магнитное поле. Такое явление часто происходит у звезд. Например, у Солнца магнитное поле меняется каждые 11 лет, а у Земли магнитное поле меняется каждые несколько сотен тысяч лет. Но у сверхмассивных черных дыр изменение магнитного поля – это очень маловероятное событие.

Причина нового исследования — это внезапное изменение в очень далекой галактике

Несколько лет назад астрономы заметили внезапное изменение яркости в галактике 1ES 1927+654, которая находится на расстоянии в 239 млн световых лет от нас. Эта галактика стала примерно в 100 раз ярче в видимом диапазоне света. Позже ученые заметили всплеск яркости и в рентгеновском, и ультрафиолетовом свете.

Сначала ученые решили, что такое изменение в этой галактике произошло из-за того, что одна из звезд подошла слишком близко к сверхмассивной черной дыре. Это вызвало событие приливного разрушения из-за чего звезда распалась на части. Таким образом, поток плазмы изменился в аккреционном диске черной дыры.

Что говорят новые данные?

Но ученые из NASA провели более тщательное исследование этого события. Они заметили, что сила рентгеновского излучения становилась меньше с большой скоростью. Это излучение производят заряженные частицы, которые двигаются в сильных магнитных полях. Если излучение меняется, значит происходит и изменение в магнитном поле вокруг черной дыры, сделали вывод ученые. Также астрономы заметили, что сила видимого и ультрафиолетового света увеличивается, что может говорить о том, что части аккреционного диска черной дыры нагреваются.

Таким образом предыдущие выводы ученых о том, что изменения в центре галактики 1ES 1927+654 произошли из-за события приливного разрушения, новое исследование подвергло сомнению. Ученые из NASA считают, что все-таки все дело в том, что здесь происходит изменение магнитного поля. Когда меняются магнитные полюса в аккреционном диске, то диск нагревается более сильно, а само магнитное поле на краях диска становится слабее.

По словам ученых, из-за слабого магнитного поля заряженные частицы создают меньше рентгеновского излучения. Как только магнитное поле завершает свое изменение, то аккреционный диск черной дыры возвращается в исходное состояние.

Ученые видели подобное изменение магнитного поля впервые

"Мы впервые наблюдали изменение в магнитном поле вокруг черной дыры. Теперь мы знаем, что они могут происходить, но мы не знаем, является ли это явление распространенным среди других черных дыр. Нужно еще понять, как часто могут происходить такие изменения в магнитном поле", — говорит Сибасиш Лаха, автор нового исследования.

Новая стратегия поиска первичных черных дыр

Согласно некоторым теориям флуктуации плотности вещества ранней Вселенной могли привести к формированию небольших «первичных черных дыр», некоторые из которых могут двигаться в окрестностях нашей Галактики и сегодня и даже являться яркими источниками гамма-излучения.Исследователи проанализировали данные, собранные при помощи космической гамма-обсерватории НАСА Fermi («Ферми»), и не обнаружили признаков, указывающих на существование этих объектов, однако этот отрицательный результат, тем не менее, позволяет наложить ограничение на максимальное число этих крохотных черных дыр, которые могут находиться в окрестностях Земли.Ожидается, что черные дыры небольших масс испускают в гамма-диапазоне так называемое «излучение Хокинга» - теоретический прогноз, сделанный физиком Стивеном Хокингом и его коллегами. Хокинг показал, что квантовые эффекты могут привести к возникновению пары частица-античастица у горизонта событий черной дыры, позволяя одной из частиц упасть на черную дыру, а другой – покинуть ее пределы. Результатом является то, что черная дыра испускает излучение и теряет массу. 

С уменьшением массы черной дыры возрастает ее яркость в гамма-диапазоне, до тех пор пока она не «загорится» ярко в гамма-диапазоне в финальном взрыве. Ожидается, что такие вспышки в гамма-диапазоне могут происходить с частотой примерно один раз в несколько лет.

Исследование принято к публикации в журнале Astrophysical Journal; главный автор Кристиан Джонсон (Christian Johnson) из Калифорнийского университета в Санта-Круз, США.

Вспышка звездообразования, способная дать начало гравитационным волнам

В 1887 г. американский астроном Льюис Свифт открыл яркое облако, или туманность, которая в действительности оказалась небольшой галактикой, находящейся на расстоянии примерно 2,2 миллиарда световых лет от Земли. Сегодня она известна как галактика «со вспышкой звездообразования» IC 10. Спустя более столетия после открытия Свифта астрономы изучают галактику IC 10 при помощи самых мощных телескопов 21-го века. Новые наблюдения, проведенные при помощи рентгеновской космической обсерватории НАСА Chandra («Чандра»), обнаруживают множество звездных пар, которые однажды могут стать источниками волн удивительного типа, называемых гравитационными волнами. Анализируя данные наблюдений галактики IC 10, собранные при помощи обсерватории Chandra за последние 10 лет, астрономы обнаружили свыше десятка черных дыр и нейтронных звезд, поглощающих газ, который перетекает на них со стороны молодых звезд-компаньонов. Такие двойные системы называют рентгеновскими двойными, поскольку они интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне.

На этом новом комбинированном снимке галактики IC 10 представлены данные, полученные при помощи космической обсерватории Chandra (голубой) и при помощи наблюдений в оптическом диапазоне (красный, зеленый, голубой). Рентгеновские источники, обнаруженные при помощи «Чандры» имеют более темный голубой оттенок, по сравнению со звездами, наблюдаемыми в оптическом диапазоне.

Две научные работы, посвященные изучению рентгеновских двойных в галактике IC 10, увидели свет в выпуске журнала Astrophysical Journal за 10 февраля 2017 г.

В России получили фото "новорожденного" гамма-всплеска

Астрономы из МГУ и ряда зарубежных университетов и институтов получили первые детальные фотографии и данные по тому, как возникают загадочные гамма-всплески, чье изучение поможет ученым понять, что их порождает и угрожают ли они Земле, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature. "Гамма-вспышки происходят на космологических расстояниях от нас, и некоторые из них случились практически в момент рождения Вселенной. Их появление невозможно предсказать, и когда вспышка происходит, их источник навсегда исчезает. Нам очень повезло, что мы смогли проследить за этим событием при помощи разных телескопов и с разных углов зрения, особенно в момент рождения вспышки, который крайне тяжело поймать", — рассказывает Александр Кутырев из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте (США).

Звездный крик

Загадочные космические вспышки гамма-излучения, продолжавшиеся от нескольких секунд до нескольких минут, впервые были обнаружены в 1968 году американскими спутниками, предназначенными для наблюдений за советскими ядерными испытаниями. На небосводе гамма-вспышки наблюдаются появляются раз в день. По современным представлениям ученых, они возникают во время взрывов особенно крупных звезд и на первых фазах их превращения в черные дыры.

Когда такая звезда гибнет, сила притяжения порождаемой ими черной дыры или нейтронной звезды заставляет клубы материи бывшего светила. выбрасываемые в открытый космос, возвращаться назад и объединяться в "бублик", вращающийся вокруг центрального объекта. Часть этого диска поглощается черной дырой, а остатки разгоняются до околосветовых скоростей и выбрасываются во внешнее пространство в виде джетов, узких пучков материи.

Во время этой "раскрутки" материи погибающая звезда порождает столько энергии и света, сколько звезда класса Солнца вырабатывает за всю свою жизнь. То, как именно происходит этот процесс, ученые пока не знают, и спорят о его сути на протяжении последних 50 лет.

Кутырев и его коллеги сделали большой шаг к раскрытию тайны рождения гамма-всплесков, наблюдая за одной из последних вспышек такого рода, GRB160625B, возникшей в созвездии Дельфина на ночном небе северного полушария Земли в конце июня прошлого года и открытой в первые секунды после ее рождения космическим гамма-телескопом "Ферми".

Практически в первые же секунды после начала вспышки к наблюдениям присоединилась российская сеть роботизированных телескопов МАСТЕР, созданных под руководством Владимира Липунова из ГАИШ МГУ и расставленных в стратегически выбранных точках по территории всей планеты.

Танец электронов

Наблюдения за послесвечением вспышки, которые вели Липунов и его коллеги, помогли ученым впервые проследить за тем, в какую сторону "закручено" ее излучение и понять, какую роль в ее рождении играли магнитные поля и притяжение черной дыры.

Астрономы в прошлом считали, что вспышка гамма-всплеска может возникать по двум разным причинам – в результате взаимодействия магнитного поля черной дыры и "роя" окружающих ее частиц, или же в результате взаимного трения частиц материи звезды, падающих на нее и "выплевываемых" вместе с джетами.

Как пишут Липунов и его коллеги, данные по поляризации излучения GRB160625B указывают на то, что на самом деле в рождении этих вспышек виноват и тот, и другой механизм. Изначально рождением гамма-всплеска "дирижирует" магнитное поле черной дыры, однако на некотором расстоянии от сингулярности это поле ослабевает, и взаимодействия частиц материи начинают играть ведущую роль в формировании излучения.

"Синхротронное излучение, порождаемое электронами, "танцующими" в магнитном поле, является единственным механизмом формирования вспышки, который мог бы породить ту поляризацию и тот спектр гамма-всплеска, который мы наблюдали в первые мгновения после его начала. Открытие и доказательство этого является крайне важной вещью для нас, так как до этого нам не удавалось однозначно идентифицировать механизм, порождающий этот поток частиц света", — добавляет Элеонора Троя (Eleonora Troja), астроном из университета Мэриленда в Балтиморе (США).

Как отмечают астрономы, раскрытие механизма работы "самой мощной космической пушки" поможет астрономам понять, как часто возникают гамма-всплески, могут ли они рождаться в нашей Галактике и на каком расстоянии от Земли находится звезда, которая закончит свое существование подобным образом. Кроме того, это открытие указывает на то, что гамма-вспышки не являются источниками космических лучей высокой энергии, как считали раньше ученые, так как сильное магнитное поле черной дыры будет мешать их разгону.

«Хаббл» помогает датировать последний крупный «обед» черной дыры Млечного пути

Сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре Млечного пути, долгое время проводила «без обеда». Космический телескоп НАСА «Хаббл» позволил обнаружить, что последний крупный «прием пищи» для нашей черной дыры состоялся примерно 6 миллионов лет назад, когда она поглотила крупный сгусток падающего на неё газа. После этой «трапезы» эта гигантская черная дыра разразилась мощным выбросом газа, масса которого составила порядка нескольких миллионов солнечных масс, и который теперь в форме двух пузырей располагается выше и ниже плоскости Галактики.

Эти гигантские структуры, называемые пузырями Ферми, были впервые открыты в 2010 г. при помощи космической гамма-обсерватории НАСА «Ферми». Однако новые наблюдения северного пузыря помогли астрономам определить более точно возраст пузырей и выявить механизм их возникновения.

Выводы, сделанные командой астрономов во главе с Ронгмоном Бордолоем (Rongmon Bordoloi) из Массачусетского технологического института, США, по результатам нового исследования, базируются на наблюдениях, проведенных при помощи инструмента Cosmic Origins Spectrograph (COS) космического телескопа «Хаббл», который позволил проанализировать ультрафиолетовое излучение, идущее от 47 далеких квазаров. Свет, идущий от этих квазаров (как показано на снимке), проходит при движении к Земле сквозь северный пузырь Ферми, что позволяет получить информацию о скорости, составе и температуре газа, заключенного внутри расширяющегося пузыря.

Две черные дыры «притаились» неподалеку от Млечного пути

Гигантские черные дыры иногда бывают скрыты от наблюдений толстыми слоями из газа и пыли. Однако их присутствие выдает падающая на них материя, испускающая высокоэнергетическое рентгеновское излучение, которое регистрирует космическая обсерватория НАСА NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Именно таким образом в новом исследовании ученые смогли разглядеть две окруженных плотными газовыми оболочками сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах близлежащих галактик.

«Эти черные дыры расположены довольно близко к Млечному пути, однако до сих пор оставались недоступными наблюдениям, - сказал Эди Ануар (Ady Annuar), аспирант Даремского университета, Соединенное Королевство, и один из авторов нового исследования. – Их можно уподобить чудовищам, которые прячутся у вас под кроватью».

Первая из этих изученных галактик носит название IC 3639 и расположена на расстоянии 170 миллионов световых лет от нас. Благодаря высокой чувствительности обсерватории NuSTAR к высокоэнергетическому рентгеновскому излучению, исследователи смогли подтвердить, что эта галактика имеет активное ядро. Кроме того, исследователи впервые смогли оценить истинную яркость этого «монстра», оценив толщину слоя материала, скрывающего его от наблюдений.

Ещё более интересными оказались результаты исследования галактики NGC 1448, центральная черная дыра которой была открыта лишь в 2009 г., хотя она находится в центре одной из ближайших к Млечному пути крупных галактик, находящейся на расстоянии всего лишь 38 миллионов световых лет от нас. Исследование смогло подтвердить, что сверхмассивную черную дыру этой галактики также скрывает от наблюдений толстый газовый столб; кроме того, команда Ануара обнаружила в этой галактике крупную популяцию молодых (возрастом порядка 5 миллионов лет) звезд, что является признаком формирования в этой галактике новых звезд, в то же самое время, когда её центральная черная дыра продолжает активно поглощать газ и пыль.

История черной дыры, рассказанная космическими «кляксой» и «пузырем»

Две космические структуры демонстрируют признаки примечательного изменения в поведении сверхмассивной черной дыры, лежащей в далекой галактике. Используя данные, полученные при помощи космической рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» и других телескопов, астрономы собирают в единое целое сведения, которые предоставляет им наблюдение космической «кляксы» и газового пузыря, чтобы при помощи этих сведений получить представление о былой активности гигантской черной дыры и её влиянии на родительскую галактику.

«Зеленая клякса» (Green Blob), знаменитая космическая структура, которую также называют "Hanny"s Voorwerp" («Объект Ханни», нидерл.), расположена на расстоянии примерно 650 миллионов световых лет от Земли. Этот объект был открыт в 2007 г. нидерландской школьной учительницей Ханни ван Аркел в рамках citizen-science проекта (проекта наблюдений галактик с привлечением астрономов-любителей) под названием Galaxy Zoo.

Астрономы считают, что вспышка УФ и рентгеновского излучений, произошедшая на сверхмассивной черной дыре, расположенной в центре галактики IC 2497 (всего лишь 200000 световых лет от нас) перевела в возбужденное состояние атомы кислорода, находящиеся внутри газового облака, что и сообщило «Зеленой кляксе» её изумрудный оттенок. В настоящее время эта черная дыра медленно растет и уже не способна произвести достаточно излучения, чтобы вызвать свечение такой яркости.

Новые наблюдения, проведенные при помощи обсерватории «Чандра», демонстрируют, что эта черная дыра до сих пор производит большие количества энергии, хотя и не способна более вспыхнуть с такой яркостью, как «в молодости». Свидетельством таких изменений в активности черной дыры стал горячий газ, находящийся в центре галактики IC 2497, обнаруженный на снимках с продолжительной экспозицией, сделанных при помощи «Чандры». В центре источника рентгеновского излучения находится менее горячий газ, который ученые интерпретируют как большой газовый пузырь.

Астрономы считают, что этот пузырь мог быть сформирован в результате воздействия пары джетов, испускаемых черной дырой, на окружающий её раскаленный газ. Таким образом, черная дыра перешла от рассеивания энергии во все стороны к концентрированному выделению энергии в узких пучках, называемых джетами.