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.

Короны сверхмассивных черных дыр могут являться источниками космических нейтрино

Происхождение высокоэнергетических космических нейтрино, наблюдаемых при помощи обсерватории IceCube Neutrino Observatory, детекторы которой расположены в толще антарктических льдов, представляет собой большую загадку для физиков и астрономов. Новая модель может помочь объяснить неожиданно мощный поток таких нейтрино в определенном интервале энергий, зафиксированный недавно совместно с гамма-излучением. Эта модель, описанная в новой научной работе, указывает на сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах активных галактик, как на возможные источники этих таинственных нейтрино. «Нейтрино представляют собой субатомные частицы, настолько крохотные, что их масса близка к нулю, и они редко взаимодействуют с другой материей, - рассказал Кота Мурасэ (Kohta Murase), ассистент-профессор физики, астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания, США, и сотрудник Центра многоканальной астрофизики Института гравитации и космоса, возглавлявший данное исследование. – Высокоэнергетические космические нейтрино формируются в природных «ускорителях частиц», таких как нейтронные звезды и черные дыры. Они сопровождаются высокоэнергетическим гамма-излучением и даже иногда гравитационными волнами».

Однако недавно космическая гамма-обсерватория Fermi («Ферми») зарегистрировала неожиданной интенсивный поток нейтрино, имеющих среднюю для гамма-диапазона энергию (менее 100 тераэлектронвольт), на фоне относительно слабого потока гамма-лучей, соответствующего этому потоку нейтрино. Для объяснения этих наблюдений в своей работе Мурасэ с коллегами предлагает модель, согласно которой эти нейтрино излучаются в короне сверхмассивной черной дыры, представляющей собой зону с высокой излучательной способностью, формирующуюся над аккреционным диском черной дыры. Излучаемое короной гамма-излучение очень высокой энергии поглощается и переизлучается с более низкой энергией окружающим черную дыру материалом, после чего достигает Земли как поток нейтрино с энергией менее 100 ТэВ, в то время как слабо поглощаемые нейтрино свободно проходят сквозь зону поглощения и достигают нашей планеты в составе очень плотного потока, пояснили авторы.

Астрономы «вышли на след» галактик с двумя центральными черными дырами

Ученый из Университета Клемсона, США, объединил силы с международной командой астрономов для идентификации периодического гамма-излучения со стороны 11 активных галактик. Эти исследования закладывают первый камень в фундамент нового научного направления, посвященного необычным галактикам, в центрах которых находятся сразу две черные дыры. Астрономам давно известно, что в центрах большинства галактик лежит черная дыра. Однако галактики, в центре которых лежат сразу две черные дыры, до сих пор остаются гипотетическими объектами. «Обычно сверхмассивные черные дыры (СМЧД) имеют массу свыше одного миллиона масс нашего Солнца, - сказал Пабло Пениль (Pablo Peñil), главный автор нового исследования и магистрант Мадридского университета Комплутенсе, Испания. – Некоторые из этих СМЧД, известные как активные ядра галактик, ускоряют частицы до скоростей, близких к скорости света, в составе узконаправленных потоков, называемых джетами. Излучение этих джетов охватывает весь электромагнитный спектр, однако основная часть их энергии выделяется в форме гамма-излучения». Гамма-излучение, являющееся наиболее высокоэнергетической формой света, регистрируется при помощи телескопа Large Area Telescope, установленного на борту космической гамма-обсерватории НАСА Fermi («Ферми»). Активные ядра галактик характеризуются резкими и плохо поддающимися прогнозированию изменениями яркости.

«Идентификацию периодической составляющей в этом гамма-излучении можно сравнить с попыткой, глядя на бушующее море во время шторма, выделить в волнах периодическую составляющую, скажем, от проходящей вдали маленькой лодки, - сказал Пениль. – Очень скоро понимаешь, что сделать это невероятно сложно».

Команда сделала первый непростой шаг на этом пути, идентифицировав большое число галактик, которые на протяжении многих лет излучают периодический сигнал, и в настоящее время пытается определить причину его происхождения. Одна из возможных гипотез происхождения этого сигнала особенно интригует – возможно, периодический сигнал формируется в результате взаимодействия между двумя СМЧД, обращающимися друг относительно друга в центре галактики.

«Ранее нам были известны лишь два блазара, демонстрировавших периодические изменения гамма-яркости. Благодаря нашему новому исследованию, мы можем с уверенностью сказать, что такое поведение характерно для 11 других источников, - сказала один из соавторов исследования Сара Бусон (Sara Buson), профессор Вюрцбургского университета, Германия. – К тому же в ходе проведения исследования мы обнаружили еще 13 галактик с признаками, указывающими на цикличность излучения. Однако для однозначного подтверждения нам требуется собрать дополнительные данные при помощи инструментов Fermi-LAT».

Джекпот! Ученые открывают 300000 новых далеких галактик

Астрономы обнаружили сотни тысяч прежде неизвестных науке галактик, сообщается в нескольких новых исследованиях. Этот гигантский набор данных позволит исследователям глубже понять рождение и рост сверхмассивных черных дыр (СМЧД), эволюцию столкновений между скоплениями галактик и многие другие космические события, считают члены научной команды, совершившей это открытие. Эта команда состоит из более чем 200 астрономов из 18 стран, которые совместно анализируют данные, собранные в рамках первого этапа обзора неба, проводимого при помощи сети радиотелескопов Low Frequency Array (LOFAR), управление которой осуществляет Нидерландский институт радиоастрономии (известный как ASTRON). Большинство телескопов сети LOFAR находятся на территории Нидерландов, однако система охватывает также многие европейские страны, включая Германию, Францию и Соединенное Королевство. Исследователи открыли и нанесли на карты 300000 радиоисточников, почти все из которых, как указывают ученые, являются экстремально далекими галактиками. Основным источником наблюдаемого радиоизлучения являются джеты стремительно движущегося материала, удаляющегося со стороны СМЧД, расположенных в центрах этих галактик.

Эти новые наблюдения также позволяют глубже понять процессы столкновения между скоплениями галактик. Эти гигантские столкновения приводят к ускорению частиц, находящихся в космосе, до сверхвысоких скоростей, в результате чего формируются зоны радиоизлучения протяженностью в миллионы световых лет.

Однако и это еще отнюдь не все результаты, полученные исследователями при проведении этой работы.

«Система LOFAR показывает нам, что в некоторых случаях скопления галактик, которые не находятся в процессе слияния, также могут испускать такое излучение, хотя уровень его интенсивности при этом оказывается значительно ниже – настолько низким, что мы не могли его зарегистрировать ранее, - рассказала Аннализа Бонафеде (Annalisa Bonafede), член научной группы из Болонского университета, Италия. – Это открытие говорит нам о том, что помимо столкновений между скоплениями галактик есть и другие космические события, которые могут приводить к разгону частиц до сверхвысоких скоростей».

Гравитационные волны, формируемые черными дырами в центрах галактик

Гравитационные волны могут формироваться в центрах галактик, сообщается в новом исследовании, проведенном группой ученых под руководством Джозефа Фернандеса (Joseph Fernandez) из Ливерпульского университета имени Джона Мурса, Великобритания. Гравитационные волны представляют собой мелкую рябь пространства-времени, распространяющуюся по Вселенной. Когда во Вселенной сталкиваются два массивных объекта, таких как черные дыры или нейтронные звезды, происходит формирование гравитационных волн, расходящихся в стороны от места столкновения. Этот феномен был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1915 г. Амплитуда этих изменений согласно прогнозам должна была быть настолько крохотной, что Эйнштейн даже не рассчитывал обнаружить гравитационные волны. Однако в 2015 г., спустя сто лет после того, как был сделан этот прогноз, ученые впервые смогли наблюдать гравитационные волны напрямую. Обнаруженные гравитационные волны исходили со стороны пары черных дыр звездных масс (примерно по 30 масс Солнца каждая), которые упали друг на друга и в конечном счете объединились.

С того времени ученые обнаружили еще 4 события слияния черных дыр, однако наука до сих пор не приблизилась к пониманию механизмов, заставляющих черные дыры сближаться настолько, что становится возможным формирование гравитационных волн.

В новой работе команда Фернандеса показывает, что сверхмассивная черная дыра (СМЧД), лежащая в центре галактики, может изменить орбиты компонент двойной звездной системы так, что окажется возможным приведение компонент системы в очень тесный контакт, и продолжительность их обращения друг относительно друга перед слиянием будет в 100 раз ниже, чем в отсутствие такого искажения орбит со стороны СМЧД. Этого может оказаться достаточно, чтобы двойная система успела за время существования нашей Вселенной достичь фазы слияния компонент, считают Фернандес и его коллеги.

Исследование было представлено 3 апреля на Европейской неделе астрономии и наук о космосе, проходившей в Ливерпуле, Великобритания.

Сверхмассивные черные дыры могут поглощать по одной звезде в год

Исследователи из Колорадского университета в Боулдере, США, открыли механизм, который объясняет устойчивость асимметричных звездных скоплений, окружающих сверхмассивные черные дыры в некоторых галактиках, и позволяет сделать прогноз, согласно которому в период объединения столкнувшихся галактик звезды, обращающиеся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры (СМЧД) могут быть поглощены ею и разрушены с частотой порядка одной звезды в год. Гравитация СМЧД формирует околоядерное скопление звезд, которое в соответствии с физикой гравитации должно иметь сферическую симметрию. Однако в некоторых галактиках – включая близлежащую галактику Андромеда – ученые наблюдали вместо сферических скоплений звезд асимметричные скопления, принимающие форму диска. Предполагается, что эксцентричный диск формируется вскоре после столкновения между двумя богатыми газом галактиками.

Внутри этого диска каждая звезда движется по эллиптической орбите, плоскость которой поворачивается относительно черной дыры с течением времени. Орбиты звезд часто накладываются друг на друга и изменяются в результате взаимодействия между звездами. В конечном счете эти изменения накапливаются, и одна из взаимодействующих звезд оказывается расположена слишком близко к черной дыре.

«Мы прогнозируем, что в период после галактического столкновения СМЧД будет поглощать по одной звезде в год, - сказал один из авторов работы Хизер Вернке (Heather Wernke), студент магистратуры Колорадского университета в Боулдере. – Это примерно в 1000 раз чаще, по сравнению с предыдущими оценками».

Эти находки подтверждают наблюдениями предположение о том, что некоторые галактики, в центре которых имеется СМЧД, демонстрируют более высокие скорости поглощения звезд, чем остальные галактики, а также показывают, что эксцентричные околоядерные диски могут быть распространены чаще, чем предполагалось.

Сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в карликовых галактиках

Ученые разгадали давнюю космическую загадку, обнаружив свидетельства того, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) препятствуют формированию звезд в небольших галактиках. Эти гигантские черные дыры имеют массу, более чем в миллион раз превышающую массу Солнца, и располагаются в центрах галактик, испуская мощные ветра, которые подавляют процесс звездообразования. Астрономы ранее считали, что СМЧД не оказывают решающего влияния на формирование звезд в карликовых галактиках, однако в новом исследовании, проведенном учеными из Портсмутского университета, Великобритания, показано, что это предположение было неверным. Это исследование имеет особенно большое значение для космической науки, поскольку число карликовых галактик (с числом звезд от 100 миллионов до нескольких миллиардов) во Вселенной намного выше числа крупных галактик, рассказала главный автор нового исследования доктор Саманта Пенни (Samantha Penny).

СМЧД регулируют процесс звездообразования в галактике, нагревая и перемешивая холодный молекулярный газ, который в случае отсутствия такого воздействия со стороны СМЧД конденсировался бы в новые звезды. В предыдущих исследованиях было показано, что описанный выше процесс приводит к подавлению звездообразования в крупных галактиках, однако ученые продолжали считать, что в карликовых галактиках действует другой механизм. Считалось, что взаимодействие карликовых галактик с более крупными галактиками приводит к «вытягиванию» газа из меньших по размерам и массе карликовых галактик.

Однако новые данные, полученные командой доктора Пенни, показали, что старые, красные карликовые галактики продолжали накапливать газ, что, однако, не приводило к формированию новых звезд. Это привело команду к выводу о том, что подавление процесса звездообразования в карликовых галактиках связано с действием центральной СМЧД.

В своей работе команда Пенни использовала данные, полученные при помощи Слоуновского цифрового обзора неба.