Астрономы обнаружили молодую звезду рядом с черной дырой в центре Млечного пути

Международная группа исследователей под руководством доктора Флориана Пейскера из Института астрофизики Кельнского университета обнаружила очень молодую звезду в фазе ее формирования вблизи сверхмассивной черной дыры Стрелец А* (Sgr A*) в центре Млечного Пути. Возраст звезды составляет всего несколько десятков тысяч лет. Особенность молодой звезды X3a заключается в том, что теоретически она вообще не должна существовать настолько близко к сверхмассивной черной дыре. Ученые считают, что эта звезда сформировалась в пылевом облаке, вращающемся вокруг гигантской черной дыры, и опустилась на свою текущую орбиту только после формирования. Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal. Окрестности черной дыры в центре нашей галактики считаются областью, характеризующейся высокодинамичными процессами и жестким рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Эти условия препятствуют образованию звезд, подобных нашему Солнцу. Поэтому долгое время ученые предполагали, что только старые, эволюционировавшие звезды могут оседать за счет динамического трения вблизи сверхмассивной черной дыры. Однако еще двадцать лет назад в непосредственной близости от Sgr A* были обнаружены очень молодые звезды. До сих пор неясно, как эти звезды попали туда и где они сформировались. Появление очень молодых звезд очень близко к сверхмассивной черной дыре было названо «парадоксом молодости». Молодая звезда X3a, которая в десять раз больше и в пятнадцать раз тяжелее нашего Солнца, нуждалась в особых условиях, чтобы образоваться в непосредственной близости от черной дыры.

Первый автор доктор Флориан Пейскер объяснил: «Оказывается, на расстоянии нескольких световых лет от черной дыры существует область, которая отвечает условиям для звездообразования. Эта область, кольцо из газа и пыли, достаточно холодная и защищена от разрушительной радиации».

Низкие температуры и высокая плотность создают среду, в которой могут образовываться облака массой в сотни солнечных масс. Эти облака могут очень быстро перемещаться в направлении черной дыры из-за столкновений друг с другом и рассеянием, которое устраняет угловой момент. Кроме того, в непосредственной близости от молодой звезды образовались очень горячие скопления, которые затем могли быть аккрецированы X3a. Они могли также способствовать тому, что X3a достигла такой высокой массы. Однако эти скопления являются лишь частью истории формирования X3a. Они не объясняют ее рождение.

Ученые предполагают, что возможен следующий сценарий: плотное облако, защищенное от гравитационного влияния Sgr A* и интенсивного излучения, могло образоваться во внешнем газопылевом кольце вокруг центра Галактики. Это облако имело массу около ста Солнц и под действием собственной гравитации распалось на одну или несколько протозвезд.

«Это так называемое время падения приблизительно соответствует возрасту X3a», - добавил Пейскер.

Этот сценарий также соответствовал бы фазе звездного развития X3a, которая в настоящее время эволюционирует в зрелую звезду. Поэтому вполне вероятно, что газово-пылевое кольцо служит местом рождения молодых звезд в центре нашей Галактики.

Доктор Михал Заячек из Университета Масарика в Брно (Чешская Республика), соавтор исследования, пояснил: «Благодаря своей высокой массе, примерно в десять раз превышающей солнечную, X3a является гигантом среди звезд, и эти гиганты очень быстро эволюционируют к зрелости. Нам посчастливилось обнаружить массивную звезду в центре околозвездной оболочки в форме кометы. Впоследствии мы определили ключевые особенности, связанные с молодым возрастом, такие как компактная околозвездная оболочка, вращающаяся вокруг нее».

Новое открытие проливает свет на очень ранние сверхмассивные черные дыры

Астрономы из Техасского и Аризонского университетов обнаружили быстро растущую чёрную дыру в одной из галактик в очень ранней Вселенной. Учёные считают, что это галактика с экстремальным уровнем звездообразования. Новая работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Используя наблюдения, сделанные с помощью радиообсерватории Atacama Large Millimeter Array (ALMA), расположенной в Чили, команда определила, что галактика COS-87259, содержащая эту новую сверхмассивную чёрную дыру, образует звёзды со скоростью, в 1000 раз превышающей скорость звездообразования в Млечном Пути. В галактике находится межзвёздная пыль массой в миллиард солнечных масс. COS-87259 ярко сияет как из-за этого интенсивного всплеска звездообразования, так и из-за растущей сверхмассивной чёрной дыры в её центре. Эта чёрная дыра считается новым типом первичной чёрной дыры — такой, которая сильно окутана космической пылью, из-за чего почти весь её свет излучается в среднем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. Исследователи также обнаружили, что эта растущая сверхмассивная чёрная дыра (часто называемая активным галактическим ядром) генерирует мощный джет, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, через галактику-родителя.

Сегодня чёрные дыры с массами, в миллионы и миллиарды раз превышающими массу нашего Солнца, находятся в центре почти каждой галактики. То, как впервые образовались эти сверхмассивные чёрные дыры, остаётся загадкой для учёных. Поскольку свету от этих источников требуется так много времени, чтобы достичь нас, мы видим их такими, какими они существовали в прошлом. В данном случае всего через 750 миллионов лет после Большого взрыва.

Что особенно удивительно в этом новом объекте, так это то, что он был обнаружен на относительно небольшом участке неба — менее чем в 10 раз превышающем размер полной Луны. Это позволяет предположить, что в самой ранней Вселенной могли существовать тысячи подобных источников.

Райан Эндсли, ведущий автор статьи, а ныне постдокторант Техасского университета в Остине, говорит: «Эти результаты свидетельствуют о том, что очень ранние сверхмассивные чёрные дыры часто были сильно затемнены пылью, возможно, как следствие интенсивной активности звездообразования в их родительских галактиках. Это то, что другие предсказывали уже несколько лет, и действительно приятно видеть первые прямые данные наблюдений, подтверждающие этот сценарий».

Астрономы нашли сотни спрятанных черных дыр

Благодаря данным, полученным рентгеновским телескопом Chandra, астрономы обнаружили сотни, ранее неизвестных, сверхмассивных черных дыр. Это поможет им провести более точную «перепись» подобных объектов во Вселенной. Считается, что сверхмассивные черные дыры расположены в ядрах большинства крупных галактик. Как правило, их вычисляют по активности. Когда черные дыры поглощают вещество, это сопровождается выделением значительного количества энергии. Но некоторые гравитационные монстры укрыты толстыми газопылевыми облаками, что затрудняет обнаружение следов их активности. Чтобы найти спрятанные черные дыры, астрономы задействовали телескоп Chandra. Целью их наблюдений стали галактики, которые ничем не отличаются от своих соседей в видимом диапазоне, но при этом являются мощными источниками рентгеновского излучения (их также называют XBONG-галактиками). По словам астрономов, рентгеновские лучи особенно полезны для поиска быстрорастущих черных дыр, потому что вращающийся вокруг них материал разогрет до температуры в миллионы градусов и сильно светится в рентгеновском диапазоне. И в то время, как окружающий черную дыру, газопылевой кокон блокирует видимый свет, рентгеновские лучи свободно проходят через него.

Снимки в видимом и рентгеновском диапазоне, демонстрирующие положение одной из обнаруженных сверхмассивных черных дыр. Источник: NASA/CXC/SAO/D. Kim et al.; Optical/IR: Legacy Surveys/D. Lang (Perimeter Institute)

Скомбинировав данные Chandra и Слоановского цифрового небесного обзора, исследователи нашли 817 XBONG-галактик. В ходе последующего анализа выяснилось, что как минимум половина из них содержит скрытые сверхмассивные черные дыры. Они расположены на расстоянии от 550 млн до 7,8 млрд световых лет от Земли.

Что касается остальных XBONG-галактик, то астрономы считают, что примерно в сотне случаев речь идет не о едином источнике рентгеновского излучения, а о нескольких рассредоточенных объектах. Часть галактик также могут входить в состав ранее неизвестных скоплений, которые содержат большое количество горячего газа, излучающего в рентгеновском диапазоне. Таким образом можно классифицировать порядка 20% XBONG-галактик, наблюдавшихся Chandra. Остальные 30% могут приходиться на галактики, где оптические сигналы от сверхмассивных черных дыр разбавляются относительно ярким светом звезд.

Ученые нашли подсказки к происхождению двойных черных дыр

Новое исследование показало, что на данный момент каталог известных двойных черных дыр не раскрывает ничего фундаментального о том, как образуются черные дыры. Ученые считают, что подсказки к появлению черной дыры можно найти в том, как она вращается. Это особенно верно для двойных систем, в которых две черные дыры вращаются близко друг к другу перед слиянием. Вращение и наклон соответствующих черных дыр непосредственно перед их слиянием может показать, возникли ли невидимые гиганты из тихого галактического диска или из более динамичного скопления звезд. В исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics, физики Массачусетского технологического института показывают, что когда все известные двойные системы и их спины перерабатываются в модели образования черных дыр, выводы могут выглядеть совершенно по-разному, в зависимости от конкретной модели, используемой для интерпретации данных. Таким образом, происхождение черной дыры можно «раскрутить» по-разному, в зависимости от предположений модели о том, как устроена Вселенная. «Когда вы меняете модель и делаете ее более гибкой или делаете другие предположения, вы получаете другой ответ о том, как черные дыры образовались во Вселенной. Мы показываем, что людям нужно быть осторожными, потому что наши данные еще не на том этапе, когда мы можем верить тому, что говорит нам модель», — сказал соавтор исследования Сильвия Бисковяну, аспирант Массачусетского технологического института, работающий в лаборатории LIGO.

В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института проверила, приведут ли одни и те же данные к одним и тем же выводам при обработке немного разных теоретических моделей образования черных дыр.

Команда впервые воспроизвела измерения вращения LIGO в широко используемой модели формирования черной дыры. Эта модель предполагает, что часть двойных систем во Вселенной предпочитает создавать черные дыры с выровненными спинами, в то время как остальные двойные системы имеют случайные спины. Они обнаружили, что данные, по-видимому, согласуются с предположениями этой модели и показали пик, где модель предсказывала, что должно быть больше черных дыр с аналогичными спинами.

Затем они немного подкорректировали модель, изменив ее предположения таким образом, что она предсказывала несколько иную ориентацию предпочтительных спинов черных дыр. Когда они обработали те же данные в этой измененной модели, они обнаружили, что данные сдвинуты, чтобы соответствовать новым прогнозам. Данные также произвели аналогичные сдвиги в 10 других моделях, каждая из которых исходила из разных предположений о том, как черные дыры предпочитают вращаться.

По словам ученых, результат полностью зависит от того, как моделируется астрофизика, а не от самих данных. Они добавили, что им нужно больше данных, чем они думали, если хотят сделать заявление, которое не зависит от сделанных ими астрофизических предположений.

По оценкам ученых, как только сеть LIGO снова заработает в начале 2023 года, инструменты будут обнаруживать одну новую двойную черную дыру каждые несколько дней. В течение следующего года к данным можно добавить еще сотни измерений.

Ученые исследуют столкновения черных дыр

С 2015 года коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA обнаружила около 85 пар черных дыр, сталкивающихся друг с другом. Известно, что эти космические катастрофы происходят часто: по мере повышения чувствительности детектора ученые ожидают, что в следующем цикле наблюдений, начиная с 2023 года, они будут получать данные об этих событиях почти ежедневно. Однако ученые пока не знают, что вызывает эти столкновения. Один из способов заставить черные дыры слиться – это столкнуть их в густонаселенных средах, таких как центры звездных скоплений. В звездных скоплениях черные дыры, которые находятся очень далеко друг от друга, могут сблизиться в результате двух факторов – массовой сегрегации и динамических взаимодействий. Массовая сегрегация приводит к тому, что самые массивные объекты опускаются к середине гравитационной потенциальной ямы. Это означает, что любые черные дыры, рассеянные по всему скоплению, должны оказаться в середине, образуя невидимое «темное ядро». Динамические взаимодействия являются вторым механизмом, влияющим на сближение черных дыр. Если две черные дыры объединяются в скопление, на их взаимодействие может влиять гравитационное воздействие близлежащих объектов. Это воздействие может сблизить двойную систему. Массовая сегрегация и динамические взаимодействия, которые могут происходить в звездных скоплениях, накладывают свой отпечаток на свойства сливающихся двойных систем. Одним из ключевых свойств является форма орбиты двойной системы непосредственно перед ее слиянием. Поскольку слияния в звездных скоплениях могут происходить очень быстро, формы орбит могут быть довольно вытянутыми, похожими на сплющенный эллипс.

Команда исследователей и выпускников OzGrav работает вместе над изучением орбит двойных черных дыр. Группа, возглавляемая доктором Изобель Ромеро-Шоу, вместе с профессорами Полом Ласки и Эриком Трейном из Университета Монаша, обнаружила, что некоторые двойные системы, наблюдаемые LIGO-Virgo-KAGRA, действительно имеют вытянутые орбиты, указывающие на то, что они, возможно, столкнулись в густонаселенном звездном скоплении.