Астрофизики МГУ открыли оптический джет в черной дыре

Сотрудники физического факультета и Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ имениМ. В. Ломоносова доказали существование оптического джета — потока частиц, выталкиваемых гравитационными силами черных дыр, — в микроквазаре V404 Cyg. Микроквазары (рентгеновские двойные звезды) — это двойные звездные системы, в которых остаток первой звезды, сжатый в темный компактный объект (такой как нейтронная звезда или черная дыра), гравитационно связан со второй звездой-гигантом. Около черных дыр возникает мощное рентгеновское излучение, которое, попадая на поверхность звезды-гиганта, прогревает ее. Это происходит редко и длится в течение нескольких недель, однако для ученых это мощная оптическая вспышка, излучение которой не поляризовано. После таких вспышек звезда «засыпает» на неопределенное время. Именно так микроквазар V404 после активности в 1979 году «заснул» на 30 лет.

Микроквазар — двойная звездная система

В ходе работы ученые обнаружили, что поляризация микроквазара V404 меняется, а это значит, что во время «сна» гиганта на первый план выходит нетепловое излучение джета, имеющего совсем иную, синхротронную, природу и другой механизм энерговыделения. Это и зарегистрировали авторы работы, проведя наблюдения на телескопах-роботах Глобальной сети МАСТЕР. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Astrophysical Journal.

«Долговременные радио- и рентгеновские наблюдения показали, что между вспышками микроквазар спит, но не совсем. Удалось обнаружить нетепловое поляризованное радио- и рентгеновское излучение, возникающее, по‑видимому, не в диске, а в джете плазмы, ускоряемом вдоль оси вращения диска», — рассказал один из авторов статьи Владимир Липунов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии отделения астрономии физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и заведующий лабораторией космического мониторинга Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова.

Летом 2015 года с помощью шести телескопов-роботов гамма-обсерватории Свифт учёные вновь зафиксировали активность микроквазара, однако его блеск в оптическом диапазоне увеличился в сотни раз, а в рентгеновском диапазоне — в миллионы. Через несколько недель ученые выяснили, что V404 линейно поляризован межзвездной пылью, которая рассеивает свет не изотропно: пылинки выстраиваются вдоль магнитных силовых линий, словно магнитные стрелки.

«Самое поразительное в том, что мы нашли два эпизода, продолжительностью не больше нескольких часов, когда поляризация микроквазара стала меняться. Но ведь межзвездная поляризация не может так быстро меняться. Следовательно, это какое-то собственное поляризованное излучение микроквазара. Оказалось, что поляризация нарастала в те моменты, когда оптический блеск системы падал, как будто в системе есть слабый источник сильно поляризованного света, и его вклад при падении общей яркости становится важным, и общее излучение дополнительно поляризуется», — объяснил ученый.

Загадки космоса: ученые объяснили происхождение черных дыр

Первые гигантские черные дыры Вселенной начали расти большими темпами благодаря "помощи" соседних с ними галактик. Астрономы, разгадывая загадки космоса, отметили, что излучение галактик мешало звездам сформироваться внутри "зародышей" будущих гигантов. "Коллапс галактики и формирование черной дыры с массой в миллион Солнц происходит в таком случае всего за 100 тысяч лет, мгновение по космическим меркам. Через несколько миллионов лет она вырастает до массы в миллиард Солнц, что заметно быстрее, чем мы ожидали увидеть", — заявил Золтан Хайман (Zoltan Haiman) из университета Колумбии в Нью-Йорке (США).

Считается, что в центре большинства массивных галактик обитают сверхмассивные черные дыры, чья масса может составлять от миллиона до миллиардов масс Солнца. Причины образования этих объектов пока не совсем ясны. Изначально ученые считали, что подобные объекты возникали таким же путем, как их "нормальные" кузены – в результате гравитационного коллапса звезд и последующего слияния нескольких крупных черных дыр.

Наблюдения за первыми галактиками Вселенной заставили астрофизиков усомниться в этом – оказалось, что в них обитают черные дыры с массой в десятки миллиардов Солнц. Подобные объекты, как показывают расчеты, просто не успели бы вырасти до таких размеров, если бы они родились маленькими. Поэтому некоторые ученые начали считать, что сверхмассивные черные дыры рождаются по более экзотическим сценариям – в результате коллапса гигантских облаков из "чистого" атомарного водорода или благодаря наличию в них сгустков темной материи.

Хайман и его коллеги предложили еще один необычный сценарий рождения крупнейших черных дыр Вселенной, ключевую роль в котором играют не их "зародыши", а их космические соседи – другие крупные галактики.

Главным препятствием для роста черных дыр, по словам Хаймана, являются звезды, вернее процесс их образования. Когда черные дыры начинают расти, внутри их "зародыша" возникают сгустки материи, туманности, где рождаются десятки и сотни звезд. Звезды гораздо сильнее сопротивляются притяжению черной дыры, благодаря чему ее рост останавливается фактически сам по себе.

Процесс формирования звезд можно остановить, если в тот момент, когда "зародыш" черной дыры сжимается, молекулы водорода в нем будут расщеплены на отдельные атомы или ионы. Подобную вещь, как предположили Хайман и его коллеги, может осуществить достаточно большая галактика с большим числом молодых звезд, вырабатывающих большое количество рентгена и ультрафиолета.

Ученые проверили эту идею, создав компьютерную модель ранней Вселенной, населенной первыми галактиками и зародышами черных дыр. Как показали их расчеты, крупные галактики действительно могут ускорять рост черных дыр в своих "соседках", если они расположены на определенном расстоянии от них и имеют правильную массу и яркость. Тогда газ в соседних галактиках распадается на атомы, но нагревается не так сильно, чтобы галактика просто распалась на части, не образовав черной дыры.

Все эти расчеты, как подчеркивают ученые, не исключают альтернативных сценариев формирования крупнейших черных дыр Вселенной. Как надеются Хайман и его коллеги, запуск телескопа "Джеймс Уэбб", крупнейшего орбитального телескопа мира, поможет нам увидеть эти ранние галактики и понять, действительно ли они помогали черным дырам.

Астрофизики вычислили параметры величайшей черной дыры

С помощью орбитальных и наземных телескопов, включая космический телескоп «Хаббл», ученым удалось произвести точные замеры так называемого горизонта событий центральной черной дыры в эллиптической галактике NGC 4889.

Как сообщается на сайте «Хаббла», используя это устройство, ученые смогли определить пределы горизонта событий самой крупной черной дыры из известных в настоящее время науке, то есть фактически — вычислить ее диаметр.

Принято считать, что многие массивные галактики содержат в центральной части минимум одну сверхмассивную черную дыру. Пока остается загадкой, вследствие чего они образуются. На основе наблюдений за окружающим дыры искривленным пространством можно сделать вывод, что их масса обычно колеблется от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Прежде звание крупнейшей черной дыры принадлежало центральному объекту галактики М87, входящей в созвездие Девы и удаленной от Земли на 53 миллиона световых лет. Теперь ее показатели побила черная дыра, принадлежащая галактике NGC 4889 из созвездия Волосы Вероники. Эта галактика расположена на расстоянии около 335 миллионов световых лет от Земли. По предыдущим данным, возможная масса черной дыры варьировалась от 9,8 миллиарда солнечных масс до 27 миллиардов. Препятствием при измерении массы является текущее «мертвое» состояние галактики NGC 4889. Причиной этого стало уничтожение черной дырой всех запасов холодного газа, служащего материалом для образования новых звезд. В настоящее время она «простаивает без дела», почти не захватывая космического вещества и не выделяя излучений в виде раскаленных частиц плазмы.

Последние замеры, осуществленные с применением «Хаббла» и комплекса других телескопов, дали возможность вычислить расположение горизонта событий этого объекта — участка сферы, в котором сосредоточена гравитационная мощь черной дыры. Пересекая его, материя и свет навсегда поглощаются. Диаметр сферы, именуемый физиками как «шварцшильдовский», это и есть, по сути, аналогичный параметр черной дыры, который позволяет точнее определить ее массу.

Судя по результатам исследования, данный объект действительно обладает гигантскими размерами: за границами ее горизонта без труда разместился бы десяток Солнечных систем, следующих одна за другой. Диаметр черной дыры равен 130 миллиардам километров. Для примера, черные дыры, которые породили недавно обнаруженные гравитационные волны, имели диаметр около 200 километров. Исходя из этого показателя, черная дыра обладает массой 21 миллиард солнечных масс, что чуть ниже максимальных предполагаемых ранее значений. Но все же это не исключает, что галактика NGC 4889 хранит в себе одну из самых огромных черных дыр.