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.

Яркий гамма-всплеск раскрывает новые тайны устройства Вселенной

9 октября 2022 года интенсивный импульс гамма-излучения пронесся по нашей Солнечной системе, подавив детекторы гамма-излучения на многочисленных орбитальных спутниках. Новый источник, получивший название GRB 221009A, оказался самым ярким гамма-всплеском (GRB) из когда-либо зарегистрированных. В новом исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal Letters, наблюдения GRB 221009A, охватывающие диапазон от радиоволн до гамма-лучей, включая наблюдения на миллиметровых волнах с помощью Субмиллиметрового массива (SMA) Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института, проливают новый свет на происхождение этих экстремальных космических взрывов. Гамма-излучение GRB 221009A продолжалось более 300 секунд. Астрономы полагают, что такие «длительные» гамма-всплески – это крик о рождении черной дыры, образующейся в результате коллапса ядра массивной и быстро вращающейся звезды. Новорожденная черная дыра испускает мощные струи плазмы со скоростью, близкой к скорости света, которые пронизывают коллапсирующую звезду насквозь и сияют в гамма-лучах. Поскольку GRB 221009A был самым ярким всплеском, когда-либо зарегистрированным, настоящая загадка заключалась в том, что произойдет после первоначального всплеска гамма-излучения. «Когда струи врезаются в газ, окружающий умирающую звезду, они создают яркое «послесвечение» света по всему спектру», – говорит Танмой Ласкар, доцент кафедры физики и астрономии Университета Юты и ведущий автор исследования. – ««Послесвечение» исчезает довольно быстро, а это значит, что мы должны быть быстрыми и ловкими, чтобы уловить свет до того, как он исчезнет, унося с собой все секреты».

Проанализировав и объединив данные, полученные с SMA и других телескопов по всему миру, астрономы были сбиты с толку: измерения на миллиметровых и радиоволнах оказались намного ярче, чем ожидалось, исходя из видимого и рентгеновского излучения.

«Это один из самых подробных наборов данных, которые мы когда-либо собирали, и ясно, что миллиметровые и радиоданные просто ведут себя не так, как ожидалось», – говорит научный сотрудник CfA Иветт Чендес. – «Несколько гамма-всплесков в прошлом показали кратковременное превышение миллиметрового и радиоизлучения, которое, как считается, является признаком ударной волны в самой струе, но в GRB 221009A избыточное излучение ведет себя совершенно иначе, чем в этих прошлых случаях. Вполне вероятно, что мы обнаружили совершенно новый механизм генерации избыточных миллиметровых и радиоволн».

Одна из возможностей, говорит Чендес, заключается в том, что мощная струя, создаваемая GRB 221009A, более сложна, чем в большинстве GRB: «Возможно, что видимый и рентгеновский свет генерируются одной частью струи, в то время как ранние миллиметровые и радиоволны генерируются другим компонентом».

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.

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».