Проблема первородства звёзд и чёрных дыр — это своего рода проблема курицы и яйца. Что появилось раньше? Мы видим, как массивные звёзды превращаются в чёрные дыры — это доказанный факт. Одновременно с этим мы замечаем в ранней Вселенной присутствие сверхмассивных чёрных дыр, которые просто не успели бы вырасти до регистрируемых масс. «Джеймс Уэбб», похоже, готов дать ответ на эту загадку.

Источник изображения: The Astrophysical Journal Letters

На днях в журнале The Astrophysical Journal Letters была опубликована работа, в которой группа учёных из Университета Джона Хопкинса в США и Университета Сорбонны во Франции собрала данные «Уэбба» по обнаруженным в ранней Вселенной чёрным дырам и представила больше доказательств в пользу гипотезы об одновременном рождении звёзд и чёрных дыр. Эти данные будут набираться и дополняться новыми наблюдениями, что позволит со временем создать стройную теорию эволюции объектов во Вселенной и её самой.

Учёные обратили внимание, что «Уэбб» обнаружил одну сверхмассивную чёрную дыру через 470 млн лет после Большого взрыва, а другую — через 400 млн лет. Масса последней была определена на уровне 1,6 млн солнечных. Она находилась в центре галактики, которая была легче, чем дыра в её сердцевине. Чёрная дыра подобной массы не могла вырасти до фиксируемого значения. Из того, что мы наблюдали, чёрные дыры возникали после коллапса умирающих звёзд массой свыше 50 солнечных. Ничего подобного в ранней Вселенной не могло произойти, чтобы проявился наблюдаемый там эффект — крошечная галактика, собранная вокруг СЧД.

Исследователи делают вывод, что первичные чёрные дыры образовались одновременно с первыми звёздами или чуть раньше из облаков первичной материи. Центры облаков коллапсировали и возникшая в каждом из них чёрная дыра начинала испускать ветер, запускающий и ускоряющий процесс звездообразования. Фактически первичные чёрные дыры стали тем инструментом, который собрал и превратил галактики в те структуры, которые мы наблюдаем.

«Мы утверждаем, что от чёрных дыр отлетают газовые струи облаков, превращая их в звёзды и значительно ускоряя скорость звездообразования, — говорят авторы работы. — Мы не можем точно разглядеть эти сильные ветры или струи далеко-далеко, но мы знаем, что они должны присутствовать, потому что мы видим много чёрных дыр на ранних стадиях развития Вселенной».

В показаниях космического рентгеновского телескопа ESA XMM-Newton учёные обнаружили странные данные, которые не соответствовали всем предыдущим наблюдениям. Сверхмассивная чёрная дыра (СЧД) в центре галактики Markarian 817 около года испускала сверхбыстрый ветер из частиц, оставаясь при этом в стадии средней активности. Раньше подобное наблюдалось только для сверхактивных СЧД и случалось крайне редко.

Художественное представление чёрной дыры, испускающей ветер из заряжённых частиц. Источник изображения: ESA / CC BY-SA 3.0 IGO

В редких случаях чрезвычайной активности сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики испускает настолько сильный ветер — выброшенные электромагнитными полями частицы вещества из аккреционного диска, что он буквально выдувает межзвёздные газ и пыль за пределы галактики. Это прекращает звездообразование и, по сути, определяет облик и судьбу галактики-хозяина.

Для астрономов важно наблюдать подобные явления, что позволяет выяснить механизм взаимодействия СЧД и приютившей её галактики и, в конечном итоге, больше узнать об эволюции этих объектов и Вселенной. Галактика Markarian 817 на удалении 430 млн световых лет от нас с СЧД массой 81 млн солнечных явно выделилась на фоне всех остальных событий такого рода.

Об активности чёрной дыры в её центре отчётливо должно было сигнализировать рентгеновское излучение, испускаемое перегретым веществом в аккреционном диске. Однако регистрируемое рентгеновским телескопом ESA XMM-Newton излучение от Mrk 817 было более чем умеренным. Контрольная проверка с помощью другой рентгеновской установки — NuSTAR NASA — подтвердило верность полученных данных. Как позже оказалось, ветер от чёрной дыры блокировал рентгеновское излучение, и по факту оно было достаточно сильным.

Анализ данных показал, что активность наблюдалась по обширному пространству аккреционного диска, что привело к образованию, как минимум трёх отдельных потоков ветра из заряжённых частиц, каждый из которых развил скорость до нескольких процентов от скорости света в вакууме. Это продолжалось около года и особым образом дало понять, как чёрные дыры и галактики могут влиять друг на друга.

«Очень редко можно наблюдать сверхбыстрые ветры, и еще реже обнаруживать ветры, энергии которых достаточно, чтобы изменить характер галактики-хозяина. Тот факт, что Markarian 817 создавал эти ветры около года, не находясь в особо активном состоянии, предполагает, что чёрные дыры могут изменять форму своих галактик-хозяев гораздо сильнее, чем считалось ранее», — сообщили авторы исследования в статье, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters.

Практически все сто с небольшим известных науке случаев приливного разрушения звёзд чёрными дырами зафиксированы в галактиках с недавно закончившимися процессами звездообразования. В галактиках других типов эти процессы не встречаются, но, как показало новое исследование, мы просто не умели находить такие события. Астрономы из США показали пример, как случаи «жестокой расправы» чёрных дыр со звёздами обнаруживать повсеместно.

Приливное разрушение звезды чёрной дырой в представлении художника. Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Когда звезда оказывается в опасной близости от чёрной дыры, она теряет большую часть своего вещества в процессе так называемого приливного разрушения. Вещество звезды образует диск вокруг чёрной дыры и запускает процесс аккреции вещества — его падение на чёрную дыру.

Гравитация, трение и нагрев вещества вызывают выбросы энергии как от внутренней стороны аккреционного диска, так и с полюсов чёрной дыры, куда вещество из диска забрасывается мощными магнитными полями этого объекта. Эти выбросы энергии мы регистрируем в основном в оптическом и рентгеновском диапазонах.

Астрономы из Массачусетского технологического института предложили искать события приливного разрушения звёзд чёрными дырами в инфракрасном диапазоне. Официальное сообщение о первом открытии такого события в инфракрасном спектре поступило в апреле 2023 года. Метод был признан рабочим и взят на вооружение. И это привело к лавине открытий.

Источник изображения: Zwicky Transient Facility/R.Hurt (Caltech/IPAC)

Поиск данных в наблюдениях инфракрасного телескопа NASA NEOWISE и последующий анализ кандидатов с помощью данных ряда наземных телескопов позволил обнаружить 18 ранее неизвестных событий приливного разрушения звёзд чёрными дырами. Шесть из них были позже отброшены, поскольку были связаны с активностью чёрных дыр в центрах галактик. Однако 12 событий были идентифицированы с высокой достоверностью, и все они были открыты впервые.

Более того, все 12 новых событий приливного разрушения звёзд, зафиксированных в данных инфракрасных наблюдений, выявлены там, где раньше их не находили — в сильно запылённых галактиках. Похоже, раньше мы просто не могли уловить такие явления, поскольку пыль блокирует оптический и рентгеновский диапазоны. В инфракрасном же диапазоне никто до этого не искал подобные явления.

Галактики с кандидатами в события приливного разрушения звёзд в исследовании. Источник изображения: The Astrophysical Journal, 2024

По всему получается, что приливные разрушения звёзд могут происходить фактически в галактиках любых типов и на любых стадиях их развития. Во-первых, это позволяет забыть о проблеме несоответствия количества этих событий в теории и в процессе наблюдения (их наблюдалось меньше, чем предсказано, чему теперь нашли объяснение). Во-вторых, теперь у учёных появится больше данных для всестороннего изучения физики приливного разрушения звёзд, что обогатит науку новыми знаниями о процессах во Вселенной.

Группа астрономов из Манчестерского университета обнаружила на краю нашей галактики объект, который учёные затруднились идентифицировать. Находка является тусклой и не видна в обычные телескопы. Найти загадочное нечто удалось по наблюдению за пульсаром, на орбите которого объект расположен. Проблема в том, что масса неизвестного объекта выходит за рамки наших знаний о нейтронных звёздах и чёрных дырах. И одни и другие с такой массой ещё не встречались.

Двойная система из пульсара и чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Daniëlle Futselaar

Почему это важно? Если загадочный объект окажется нейтронной звездой, то это откроет путь к новой физике. Его масса лежит в пределах 2,09–2,71 солнечных масс. Теоретически нейтронная звезда не может быть тяжелее 2,3 масс Солнца, но в верхней части диапазона открытий таких объектов либо нет, либо они малодостоверные. Насколько мы понимаем физику процесса, более тяжёлые нейтронные звёзды коллапсируют в чёрные дыры. Если же такие звёзды существуют, то там происходят такие процессы, о которых мы не знаем, вплоть до существования каких-то иных элементарных частиц.

С другой стороны, мы ещё не открывали чёрных дыр массой менее 5 солнечных и с подтверждением открытий в нижней части диапазона массы этих объектов тоже не всё однозначно. Поэтому если загадочный объект окажется чёрной дырой, то это будет легчайшая чёрная дыра за всё время наблюдений. Это не разрушит основы физики, но даст пищу для множества научных теорий.

Учёные не сомневаются в достоверности параметров открытого ими объекта. Он обнаружен на орбите пульсара PSR J0514-4002E, излучающего сверхкороткие радиоимпульсы (миллисекундной длительности), и это позволило с высочайшей точностью рассчитать массу системы и массу каждого из объектов: пульсара и пока непонятно чего.

Симуляция вероятной конфигурации загадочной двойной системы. Источник изображения: OzGrav, Swinburne University of Technology

Система расположена в звёздном скоплении NGC 1851 примерно в 54 тыс. световых годах от центра галактики Млечный Путь. Сбором данных занимался массив радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке. Неизвестное тело совершает один орбитальный оборот за 7,44 суток. Учёные намерены приложить все усилия, чтобы узнать его природу. Вне зависимости от идентификации объекта, открытие обещает оказаться значимым для науки.

Чёрные дыры теперь не просто позируют на фотографиях, они участвуют в фотосессиях. Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала новые изображения M87* — сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики Мессье 87 — используя данные наблюдений, сделанных в апреле 2018 года. На очереди публикация снимков 2021 и 2022 года, а также подготовка к съёмке в 2024 году. Эйнштейн был бы в восторге.

Изображения чёрной дыры M87* с разницей в один год. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Первое в истории изображение чёрной дыры — объекта M87* — было обнародовано в 2019 году. Данные собирались «Телескопом горизонта событий» в апреле 2017 года. Несколько разбросанных по всей Земле радиотелескопов синхронно наблюдали за объектом в процессе так называемой высокочастотной радиоинтерферометрии. Сеть радиотелескопов превратилась в виртуальный радиоинструмент размерами почти с Землю. Это дало впечатляющее разрешение, что позволило уловить электромагнитные волны от энергетических процессов в аккреционном диске чёрной дыры, удалённой от нас на 55 млн световых лет.

С оптическими телескопами такое провернуть невозможно. Синхронизация по визуальным объектам требует невообразимого объёма данных, тогда как радиоданные легко синхронизируются и свозятся для обработки в единый центр на обычных цифровых носителях. Например, на жёстких дисках. Именно так были получены первые изображения чёрной дыры. Точнее, её тени на фоне аккреционного диска.

В апреле 2018 года коллаборация «Телескопа горизонта событий» провела новый сеанс наблюдений за M87*. Были получены ещё более чёткие и обширные данные, за что надо благодарить, во-первых, новый радиотелескоп в сети — добавилась тарелка в Гренландии и, во-вторых, наблюдение в четырёх частотных диапазонах около 230 ГГц вместо двух, как раньше.

Новое наблюдение позволило закрепить достижение — факт получения отчётливых прямых изображений чёрных дыр. Также учёные убедились, что радиусы тени чёрной дыры и линзированного аккреционного диска за год не изменились, что предсказывало учение Эйнштейна. Наблюдаемой чёрной дыре особенно нечего поглощать в месте её размещения и её рост будет практически незаметным на фоне существования человечества, а не то, что год спустя.

Тем не менее, новые данные позволяют судить о процессах в диске аккреции вещества. Например, яркая область за год сместилась против часовой стрелки примерно на 30°. Также детальное изучение данных раскрывает динамику магнитных полей вблизи объекта, плазмы и энергии. Учёные рассчитывают увидеть джеты этой дыры, пока на изображениях видны только признаки выброса струй энергии.

Кроме того, учёные понемногу оттачивают алгоритмы для анализа изображений чёрных дыр, которые предстают перед нами в своём истинном обличье, если так можно сказать об объектах, в принципе невидимых для наших приборов. Всё что у нас есть — это тень чёрной дыры (втянутые за горизонт событий фотоны) и искажённое чудовищной гравитацией линзированное изображение аккреционного диска.

Работа с докладом об открытии самой древней чёрной дыры во Вселенной прошла рецензирование и была опубликована в журнале Nature. Благодаря космической обсерватории им. Джеймса Уэбба в далёкой и древней галактике GN-z11 удалось обнаружить центральную чёрную дыру рекордной для тех времён массы. Остаётся гадать, как и почему это произошло и, похоже, для этого придётся изменить ряд космологических теорий.

Галактика GN-z11 в представлении художника. Источник изображения: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Галактика GN-z11 была обнаружена ещё в наблюдениях орбитального телескопа «Хаббл» в 2016 году. Этот объект находится от нас на удалении 13,4 млрд световых лет, то есть существовал во времена, отстоящие от Большого взрыва всего на 440 млн лет. Запуск инфракрасной обсерватории «Джеймс Уэбб» обещал множество открытий в ранней Вселенной, ведь свет из тех времён настолько растягивается в процессе движения фотонов через бездну времени и пространства, что банально уходит из видимого диапазона в инфракрасный.

Спектральный анализ света от GN-z11 показал присутствие в нём сверхразогретых ионов углерода и неона. Это указывало на признаки аккреции — обычного разогрева вещества перед падением на чёрную дыру. Эмиссия в линиях спектра была настолько интенсивной, что чёрная дыра своим излучением буквально затмевала галактику-хозяина. И немудрено, хотя галактика GN-z11 была в 100 раз меньше Млечного Пути, чёрная дыра в её центре потянула на 1,6 млн солнечных масс, тогда как чёрная дыра в центре нашей галактики имеет 4 млн солнечных масс.

Теперь, когда учёные убедились в существовании чёрной дыры подобной невообразимой для тех времён массы, придётся переписывать модели и космологические теории эволюции этих объектов и самой Вселенной. Похоже, «Уэбб» на этом не остановится, что позволит собрать достаточно материала для создания новых моделей появления и роста чёрных дыр и описания процессов в ранней Вселенной.

Галактика GN-z11 в данных телескопа «Хаббл», полученных в 2016 году. Источник изображения: NASA, ESA

Например, если опираться на современные теории, чёрная дыра в центре GN-z11 должна была питаться веществом в пять раз быстрее, чем мы считали. В противном случае она не набрала бы детектируемую массу к 440 млн лет после Большого взрыва. Также она должна была зародиться не в результате коллапса гигантской звезды, а непосредственно из коллапса межзвёздного газа, возникшего после рождения Вселенной. Будем ожидать, что собранного «Уэббом» материала хватит для составления новых космологических гипотез, которые затем превратятся в стройные теории.

Спутники систем навигации представляют собой сложнейшие приборы по координации синхронизированного с атомными часами времени и расстояний с учётом релятивистских явлений. Они способны и обязаны компенсировать любые гравитационные воздействия на их орбиты. Это уже готовые датчики гравитационных аномалий, сообщили европейские учёные и предложили превратить их в охотников за чёрными дырами и тёмной материей.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Мы впервые предложили использовать замеры гравиметрических научных приборов и параметры орбит спутников глобальных навигационных систем для поиска аномалий, порождённых скоплениями тёмной материи и примордиальными [первичными] чёрными дырами, которые сближаются с Землёй на достаточно близкое расстояние. Работа этого подхода уже была проверена на базе одного из спутников навигационной системы Galileo», — пишут исследователи, которых цитирует информагентство ТАСС.

Первичные чёрные дыры слишком малы, чтобы их гравитационные волны могли уловить современные лазерно-интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории. Считается, что они образовались из неоднородностей первичной материи вскоре после Большого взрыва. Многие из них уже испарились за счёт излучения Хокинга, но самые большие могут ещё оставаться во Вселенной. Это объекты планетарной массы, и в случае пересечения Солнечной системы в относительной близости Земли навигационные спутники отреагировали бы на их присутствие, как и на присутствие сгустков тёмной материи.

Группа европейских физиков под руководством профессора Брюссельского свободного университета (Бельгия) Себастьяна Клессе разработала методику косвенного использования развёрнутых на орбите навигационных спутниковых группировок для поиска примордиальных чёрных дыр в окрестностях Земли, включая поиск скоплений тёмной материи.

Очевидным образом прохождение небольшой чёрной дыры или сгустка тёмной материи рядом с Землёй окажет измеряемое воздействие на движение околоземных искусственных спутников, например, их ускорение и большую полуось орбиты. В сочетании с наземным оборудованием и спутниками по изучению земной гравитации это позволит примерно определить массу и положение гравитационных аномалий, если таковые произойдут, и сделать вывод о вероятной природе вызвавших их объектов.

Согласно предварительным расчётам, один спутник навигационной системы Galileo сможет уловить такую гравитационную аномалию на удалении около 1,5 а.е. от Земли (от Земли до Солнца в среднем 1 а.е.). Но чем больше спутников будет задействовано, тем дальше будут отодвигаться границы чувствительности.

Нечто подобное 10 лет назад проделали российские астрономы. Тогда они использовали данные орбитальных движений Солнца, планет и некоторых астероидов, чтобы попытаться обнаружить гравитационные аномалии в Солнечной системе. Наблюдение за навигационными спутниками в течение 30 лет способно на порядок улучшить определение подобных аномалий и принести весомый научный результат. Более того, если в окрестностях Земли будет обнаружена первичная чёрная дыра у учёных уже есть идея превратить её в аккумулятор энергии. Но это уже другая история.

Два мексиканских учёных на основании общедоступных данных от гамма-телескопа «Ферми» обнаружили активность возле сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Чёрная дыра Стрелец А* в центре Млечного Пути считается спокойной. Она не пожирает массы вещества вокруг себя, и поэтому множественных выбросов из её области нет. Однако кое-что от неё прилетает, и учёные отыскали вероятный источник загадочных вспышек.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2 / 3DNews

Несколько лет назад учёные обнаружили периодические вспышки в рентгеновском диапазоне, которые приходили к нам со стороны чёрной дыры Стрелец А*. Астрофизики Густаво Магальянес-Гихон (Gustavo Magallanes-Guijón) и Серхио Мендоса (Sergio Mendoza) из Национального автономного университета Мексики решили детальнее разобраться в этом вопросе и обратились к открытым данным орбитального гамма-телескопа Ферми. Учёные проанализировали 180 дней записей телескопа в период с 22 июня по 19 декабря 2022 года. О результатах анализа они сообщили в статье на сайте препринтов arХiv.

Анализ заключался в обработке и поиске закономерностей, особенно тех, которые проявляются периодически. В результате они нашли одну из них. Оказалось, что из окрестностей Стрельца А* с достоверностью 3 сигма (для «железного» подтверждения открытия требуется достоверность не менее 5σ) каждые 76,32 мин приходит гамма-сигнал. С большой вероятностью вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути вращается сгусток газа на расстоянии примерно как Меркурий от Солнца со скоростью около 30 % от скорости света.

Учёные считают, что облако газа будет излучать также в других диапазонах, и оно точно связано с ранее обнаруженными периодическими вспышками в рентгеновском диапазоне. Из самой чёрной дыры не вылетает никакое излучение, но в области поглощения вещества в диске аккреции процессы протекают очень и очень активно и сопровождаются выбросами энергии. Возможно в будущем Стрелец А* ещё зажжёт, но пока только подмигивает.

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M87 вращается, в чём учёные убедились после 22 лет наблюдений за этим объектом. Своим джетом она как фехтовальщик мечом описывает в пространстве окружность с размахом до 10 °. И этот «меч» длиною в 5 тыс. световых лет так же смертоносен для всего живого, что попадётся ему на пути, как и оружие в руках опытного бойца.

Вращение чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Джет или струя вещества, бьющая из центра сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87, был замечен в 1918 году астрономом Хебером Кёртисом (Heber Curtis). Изображение струи впервые получили с помощью орбитального телескопа «Хаббл». Более того, испускающая этот джет чёрная дыра стала первой, изображение которой удалось получить при непосредственном наблюдении за объектом. Точнее, телескоп «Горизонта событий» — сеть из разбросанных по всей Земле радиотелескопов — получил изображение тени этой чёрной дыры или её аккреционного диска, ведь сама дыра за свои пределы ничего не выпускает.

Изображение джета M87, полученное телескопом «Хаббл». Источник изображения: NASA, ESA

«После успешной визуализации чёрной дыры в этой галактике с помощью телескопа Event Horizon Telescope вопрос о том, вращается эта черная дыра или нет, занимал центральное место в умах учёных, — рассказал астрофизик и соавтор исследования Кадзухиро Хада (Kazuhiro Hada) из Национальной астрономической обсерватории Японии. — Теперь ожидание переросло в уверенность. Эта чудовищная чёрная дыра действительно вращается».

Для анализа поведения чёрной дыры M87 учёные проанализировали 170 наблюдений за ней в период с 2000 по 2022 год, проведённые более чем на 200 телескопах. О вращении этой чёрной дыры учёные могли судить только по смене положения её джета. Вращающаяся чёрная дыра искажает пространство-время вокруг себя — происходит так называемое увлечение инерциальных систем отсчёта. Тем самым направление джета и ориентация аккреционного диска изменяются вслед за искажениями пространства-времени. Для внешнего наблюдателя это выглядит как отклонение джета на какой-то угол.

Данные из новой работы. Источник изображения: Nature

Наблюдения помогли определить угол отклонения струи, который составил примерно 10 °. Своё движение джет совершает за 11 лет, после чего цикл начинается снова.

С какой скоростью вращается эта чёрная дыра, масса которой примерно в 6 млрд раз превышает массу Солнца, учёным ещё предстоит выяснить. Большинство чёрных дыр вращается с околосветовой скоростью, но уже обнаружены чёрные дыры, скорость вращения которых может падать до 50 % от скорости света.

Группа американских учёных, возможно, нашла доказательства, что сверхмассивная чёрная дыра в другой галактике поглотила достаточно крупную звезду с массой в три солнечных и выбросила её остатки в окружающее пространство. По этим остаткам как раз и удалось определить массу погибшей звезды.

Источник изображения: chandra.si.edu

Событие, получившее название ASASSN-14li, наблюдалось в 2014 году, а произошло оно в центре галактики PGC 043234, расположенной на расстоянии 290 млн световых лет от Земли. Для подробного наблюдения за событием использовались рентгеновские обсерватории «Чандра» (Chandra) и XMM-Newton, данные с которых помогли изучить его более подробно. Анализ произведённых после поглощения звезды выбросов позволил учёным утверждать, что она когда-то имела массу, в три раза превышающую массу Солнца.

Подобные инциденты называются событиями приливного разрушения. Когда подошедшая слишком близко звезда оказывается во власти гравитационного поля сверхмассивной чёрной дыры, её обломки нагреваются, и возникает вспышка, охватывающая оптический, ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны. Учёные измерили длины волн этого излучения и установили концентрации элементов в окружающем чёрную дыру аккреционном диске — по соотношению азота и углерода удалось оценить массу звезды.

Полученные результаты не согласуются с опубликованной в 2017 году работой, посвящённой исследованию события ASASSN-14li — тогда учёные сделали вывод, что масса этой звезды составляла всего 0,6 солнечной. Были и другие исследования, авторы которых даже предполагали, что окружающее сверхмассивную чёрную дыру вещество вообще не имело отношения к какой-либо звезде, а возникло в результате серии извержений, порождённых самой чёрной дырой.

Учёные почти в шесть раз повысили теоретический предел скорости, которую способны развивать чёрные дыры в процессе своей эволюции. Это тем более неприятно, что в Млечном Пути могут быть сотни блуждающих чёрных дыр, о которых нам ничего неизвестно. К счастью для нас, разогнаться до указанной отметки на уровне 10 % от скорости света чёрные дыры могут только в исключительных обстоятельствах.

Иллюстрация одиночной чёрной дыры. Источник изображения: FECYT, IAC

Учёные всё больше и больше узнают о поведении и эволюции чёрных дыр, хотя пробелы в этих знаниях продолжают оставаться. Это неудивительно. У нас нет инструментов и возможностей напрямую наблюдать такие объекты. Строго говоря, чёрные дыры — это всё ещё гипотеза, хотя и подкреплённая множеством теоретических доказательств и косвенных наблюдений. И наблюдения часто опережают теорию. Например, открыты чёрные дыры, масса которых выходит за границы теоретически обоснованной. Почему так может происходить, показали новые расчёты, которые подняли границы допустимых для чёрных дыр скоростей.

Повышенную скорость и новую траекторию чёрные дыры могут получить при слиянии в двойной системе. Пара чёрных дыр сближается в своём орбитальном кружении вокруг общего центра масс до момента слияния, после чего новая чёрная дыра увеличенной массы приобретает некую дополнительную скорость и траекторию. До сих пор учёные считали, что после слияния чёрные дыры не могут двигаться со скоростью свыше 5 тыс. км/с относительно точки рождения. Новое более детальное моделирование показало, что при сочетании определённых условий скорость рождённой слиянием чёрной дыры может быть почти в шесть раз больше или 28 562 ± 342 км/с. Тем самым они подняли планку скорости чёрных дыр почти до 10 % от скорости света.

Впрочем, как сказано выше, чтобы чёрная дыра разогналась до максимально возможного значения необходимо соблюдение двух условий: во-первых, спины (направления вращения) в паре чёрных дыр должны быть строго противоположны и, во-вторых, направлены вдоль плоскости орбиты. Только в таком случае образовавшаяся при слиянии новая чёрная дыра приобретёт импульс, который придаст ей наибольшее ускорение.

Подобные скорости позволяют чёрным дырам носиться по галактикам и вылетать за их пределы. Такое поведение повышает вероятность столкновений между ними, чем может объясняться появление чёрных дыр с массой выше теоретически возможной (сценарий столкновений с путешественниками издалека просто не рассматривался). Очевидно, что такое происходит нечасто даже для бесконечной по нашим меркам Вселенной, но границы возможностей необходимо знать, чтобы овладеть теорией и перейти к практике.

На сегодняшний день обнаружена одна ускоряющаяся чёрная дыра, которая, по мнению учёных, является результатом слияния двух других. Она движется со скоростью около 1542 км/с. Это не так быстро, как могло бы быть. И теперь мы знаем, насколько небыстро.

Учёные Оксфордского (Великобритания) и Колумбийского (США) университетов опубликовали работу, в которой описываются механизмы взаимодействия чёрных дыр звёздной массы с их «старшими собратьями» — сверхмассивными чёрными дырами в ядрах галактик.

Источник изображений: ras.ac.uk

Находящиеся в ядрах большинства, если не всех, галактик сверхмассивные чёрные дыры могут вырасти до масс, в миллионы и миллиарды раз превышающих солнечную. Они зачастую окружены газопылевыми дисками, которые нагреваются до колоссальных температур и испускают яркое свечение. Часть этого вещества направляется непосредственно в чёрную дыру, а часть оказывается у её полюсов, из которых выбрасывается с околосветовыми скоростями, также производя мощное свечение. Такие объекты называются квазарами — они могут быть настолько яркими, что за ними не видно свечения остальных звёзд в галактиках, в которых они находятся.

Авторы исследования утверждают, что наряду с квазарами в активных ядрах галактик могут находиться и относительно небольшие чёрные дыры массами от трёх до десяти солнечных, и они растут, сливаясь друг с другом. Квазары могут оказать влияние на столкновения небольших чёрных дыр, и эти процессы можно зафиксировать на Земле по гравитационным волнам — ряби в пространстве и времени, которую создают эти процессы. Данные были получены на основании серии сложных компьютерных симуляций, каждая из которых заняла три месяца. Моделирование воспроизводило механизмы взаимодействия сверхмассивных чёрных дыр и чёрных дыр звёздной массы.

Симуляция показала, что чёрные дыры звёздной массы могут втягиваться в аккреционные диски своих сверхмассивных собратьев, где объединяются в двойные системы с себе подобными. Газ и пыль в этих дисках замедляют скорости движения небольших чёрных дыр — они не разлетаются, а оказываются гравитационно связанными друг с другом. При этом каждая образует собственный аккреционный диск, уменьшенную версию того, что окружает сверхмассивный объект. Слияния чёрных дыр звёздной массы также порождают сильные выбросы газа. Выяснилось также, что в половине таких систем небольшие чёрные дыры обращаются вокруг сверхмассивной в направлении, противоположном её собственному вращению — так называемое ретроградное движение.

Авторы исследования указывают, что его результаты подтверждают возможность слияния чёрных дыр на орбитах сверхмассивных, а также объясняют «многие или, возможно, большинство сигналов гравитационных волн, которые мы сегодня наблюдаем».

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обнаружил самую удалённую активную сверхмассивную чёрную дыру из известных сегодня. Галактика CEERS 1019, в центре которой находится чёрная дыра, сформировалась всего через 570 млн лет после Большого взрыва. Сама чёрная дыра примечательна не только большой дистанцией до неё от Солнечной системы, но и массой «всего» в 9 млн солнечных — обычно её ровесницы весят более 1 млрд солнечных масс, благодаря чему их легче обнаружить.

Источник изображений: NASA

Относительно небольшой размер чёрной дыры в центре CEERS 1019 пока представляет собой одну из загадок Вселенной. По данным Научного института космического телескопа в Балтиморе, управляющего JWST, всё ещё сложно объяснить, как сверхмассивная чёрная дыра такой массы сформировалась настолько скоро после появления Вселенной. Ранее астрономы подозревали, что на ранних этапах должны были появиться чёрные дыры относительно небольших размеров. Учёные не исключают, что сверхмассивных чёрных дыр относительно небольшой массы на деле много, просто они до сих пор не обнаружены.

Чёрную дыру в CEERS 1019 удалось выявить благодаря данным, собранным «Джеймсом Уэббом» в рамках проекта Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) — исследовательской программы, предназначенной для тестирования и оценки методов, позволяющих «заглянуть» далеко в историю Вселенной в регионе между созвездиями Большой медведицы и Волопаса.

Если до недавних пор исследования, связанные с ранними этапами формирования Вселенной, были преимущественно теоретическими, то «Джеймс Уэбб» позволяет не только видеть чёрные дыры и галактики на огромных расстояниях, но и точно оценивать их характеристики. Так, о CEERS 1019 собрал спектральные данные, электромагнитные сигнатуры, раскрывающие химический состав, массу и другие свойства галактики. Известно, что она продолжает порождать новые звёзды, возможно, в результате слияния с другой галактикой, поддержавшего активность центральной чёрной дыры и процесс звёздообразования.

JWST не только обнаружил необычный объект в центре CEERS 1019, но и два массой поменьше, чем обычно характерны для сверхмассивных чёрных дыр, находящихся на таких дистанциях. Объекты являются ядрами галактик CEERS 2782 и CEERS 746 и сформировались приблизительно через 1,1 млрд и 1 млрд лет после Большого взрыва соответственно. Каждая имеет массу приблизительно в 10 млн солнечных. Для сравнения, чёрная дыра в центре Млечного пути в 4,3 млн раз массивнее Солнца — её характеристики весьма скромны для современных сверхмассивных чёрных дыр. Например, в центре галактике M87 находится объект с массой в 6,5 млрд солнечных.

В целом в рамках программы CEERS телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил 11 галактик, сформировавшихся от 470 до 675 млн лет после Большого взрыва. Полученные данные могут многое рассказать о формировании и эволюции звёзд и галактик. Предполагается, что объект в центре CEERS 1019 недолго останется рекордсменом — благодаря JWST уже обнаружены другие кандидаты на эту роль, которые сейчас изучаются подробнее.

Расположение и перемещение галактик во Вселенной отнюдь не случайно. Помимо явных скоплений галактики связаны нитеподобными структурами. По всей видимости, в основе «нитей» лежит тёмная материя, которая постепенно собирала вокруг себя обычное вещество. Вначале это была слабая космическая паутина, но со временем она становилась всё более прочной и заметной. «Джеймс Уэбб» смог проследить начало формирования призрачных нитей, связывающих галактики в огромные структуры.

Кругами отмечены связанные космической нитью галактики, а объединяющий квазар находится в центре трёх кругов справа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Центрами «сборки» космической паутины считаются сверхмассивные чёрные дыры или активные ядра галактик, которые также называют квазарами. Наблюдение за одним квазаром (J0305-3150) в ранней Вселенной в эпоху реионизации позволило выявить 10 связанных с ним галактик, соединённых космической «нитью» длиной 3 млн световых лет.

«Я был удивлен тем, насколько длинной и узкой является эта нить, — сказал участник исследования Сяохуи Фань (Xiaohui Fan) из Университета Аризоны в Тусоне. — Я ожидал найти что-то, но не ожидал такой длинной, отчётливо тонкой структуры». Руководитель проекта Фейдж Ванг (Feige Wang) из того же университета добавил: «Это одна из самых ранних связанная с далёким квазаром нитевидных структур, которые люди когда-либо находили».

Со временем эта нить превратится в громадное галактическое скопление, и оно где-то есть, а изучение космической паутины на ранних этапах даёт возможность проследить за эволюцией таких процессов.

Проделанная учёными работа входит в рамки проекта по изучению самых первых чёрных дыр. Всего в рамках программы ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era) будут наблюдаться 25 квазаров, существовавших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Программа призвана решить множество загадок, связанных с эволюцией чёрных дыр и одна из них — это слишком быстрое их появление в виде сверхмассивных объектов, на что, в теории, в те времена не хватило бы и времени, и материи.

Группа астрономов сообщила о первом в мире наблюдении света звёзд из очень ранних активных галактик (квазаров). «Джеймс Уэбб» смог увидеть звёздное население в свете квазаров на удалении 12,9 и 12,8 миллиардов лет или во времена всего лишь через 870 и 880 млн лет после Большого взрыва. Так далеко и с такой разрешающей способностью земная наука ещё не заглядывала. Открытие поможет понять эволюцию звёзд, галактик и сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.

Квазар HSC J2236+0032 в поле зрения космического телескопа «Джеймс Уэбб». Источник изображения: Ding, Onoue, Silverman, et al.

Космический телескоп «Хаббл» помог учёным увидеть звёзды в активных галактиках на расстоянии 10 млрд световых лет. «Уэбб» заглянул ещё дальше — почти на 13 млрд лет или в эпоху, когда первые звёзды образовывали первые галактики. До этого наука смогла составить представление об эволюции квазаров и их галактик-хозяек в зрелые годы Вселенной вплоть до нашего времени. Но что было в ранние эпохи развития Вселенной оставалось нам неизвестным.

Следует сказать, что в исследованной нами Вселенной масса квазаров коррелирует с массой галактик, в которых они находятся (квазар — это активно питающаяся сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики или, иначе, её активное ядро). Тем самым существует примерная зависимость массы квазаров от массы галактик. Учёные не могут со 100-процентной уверенностью ответить, почему так происходит. На этот счёт существует две основные гипотезы: либо излучение квазара влияет на активность звездообразования в галактиках-хозяйках, либо чёрные дыры растут пропорционально росту галактик в цепочке последовательных слияний более мелких галактик и чёрных дыр из их центров.

Наблюдения «Уэбба» дают ценный материал для изучения эволюции галактик и квазаров на ранних этапах, что может подтвердить ту или иную гипотезу и для этого необходимо уметь отделять свет звёзд в галактиках от света квазаров в их центрах, который затмевает всё остальное излучение рядом с собой. Ведь узнать о массе далёкой галактики мы можем, только анализируя свет от её звёздного населения. «Уэбб» предоставил такую возможность для объектов на невообразимом удалении.

Два квазара из ранней Вселенной — J2236+0032 и J2255+0251 — оказались с тем же соотношением масс чёрных дыр к массам их галактик, как и в нашей области Вселенной. Галактики, в центрах которых они обитали на тот момент времени, обладали массой в 130 млрд и 30 млрд раз больше солнечной, а массы их центральных чёрных дыр были в 1,4 млрд и 200 млн раз больше массы Солнца.

Безусловно, двух наблюдений недостаточно для создания стройной теории, поэтому «Джеймс Уэбб» продолжит изучение квазаров в ранней Вселенной и такие программы уже намечены и выполняются.