Расположение сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик кажется разрушительным для всего, что находится рядом. Однако астрономы сделали открытие, которое снижает угрозу, исходящую от таких объектов. Вблизи центральной чёрной дыры впервые обнаружена двойная звёздная система, которой опасное соседство оказалось нипочём. Это можно сравнить с оазисом спокойствия рядом с бурлящим водоворотом. Остаётся только найти там планеты — и это лишь вопрос времени.

Источник изображения: ESO

Открытие, как это часто бывает, произошло случайно. В центре Млечного Пути был выявлен новый класс объектов, получивших название G-объекты. Всего обнаружено шесть таких объектов, первый из которых был открыт в 2005 году. Предполагается, что это звёзды, окружённые плотным облаком газа и пыли. На вид они напоминают газопылевые облака, однако их гравитационное поведение соответствует звёздам. Все шесть объектов взаимодействуют со сверхмассивной чёрной дырой Sgr A* (Стрелец A*) в центре нашей галактики. В процессе изучения этих объектов учёные случайно обнаружили звёздную систему D9, которая оказалась двойной.

Судя по всему, двойная звёздная система смогла эволюционировать даже в условиях сильного гравитационного взаимодействия со сверхмассивной чёрной дырой. Она с невероятной скоростью вращается вокруг Sgr A*, но это не мешает ей развиваться так же, как звёздам на периферии галактики. Это открытие даёт надежду найти в центре галактики — в скоплении объектов с интенсивными взаимодействиями — не только стабильные звёзды, но и планетные системы.

«Чёрные дыры не так разрушительны, как мы думали. Кажется правдоподобным, что обнаружение планет в центре галактики — всего лишь вопрос времени», — говорят учёные.

Вместе с тем астрономы предупреждают, что такие «стабильные» отношения могут быть мимолётными в масштабах жизни звёзд. Обнаруженная двойная система ещё молода — её возраст составляет всего 2,7 млн лет. Для сравнения, динозавры жили на Земле дольше, чем эти звёзды. Не исключено, что учёным просто повезло застать их в стабильном состоянии. Даже если это так, открытие намекает, что в центрах галактик может быть больше жизни во всех смыслах этого слова. Поэтому необходимы новые наблюдения и исследования таких областей космоса.

Рентгеновский телескоп NASA «Чандра» впервые засёк разрушительное воздействие релятивистской струи вещества и энергии — джета из сверхмассивной чёрной дыры — на что-то материальное. Джет врезался в какой-то неизвестный внегалактический объект, и струя после этого прочертила в пространстве латинскую букву «V» с рукавами по 700 световых лет каждый. «Звезда Смерти» из далёкой-далёкой галактики отдыхает — представить такое оказалось не по силам даже фантастам.

Источник изображения: NASA

Сюрприз преподнесла близкая к Млечному Пути галактика Центавр А (не путать с Альфой Центавра, близкой к Земле звёздной системой). Это интересный объект во многих смыслах и учёные пристально за ним следят. В данных «Чандра» учёные впервые увидели раздвоение релятивистского джета от чёрной дыры. Причём разделение также наблюдается в рентгеновском диапазоне, что сложно было ожидать от типичного взаимодействия струи с межзвёздными газом и пылью.

Таинственный объект назвали C4. Судя по разлёту «осколков» — это компактный объект, возможно, звезда или иное большое скопление массы. Согласно принятым моделям, джет должен был поразить объект и увлечь его вещество в направлении струи. Между тем, один рукав струи ушёл резко в сторону, тогда как другой сохранил направление вдоль джета. Интрига пока сохраняется. Понадобятся ещё наблюдения, чтобы попытаться понять, какая трагедия разыгралась там в пространстве — за 12 млн световых лет от нашей галактики.

Сделанные космической обсерваторией им. Джеймса Уэбба открытия в ранней Вселенной заставили учёных усомниться в основах современной космологии. В частности, «Уэбб» обнаружил в ранней Вселенной необъяснимо большие чёрные дыры, которые не должны были развиться в процессе эволюции звёзд. Объяснить наблюдаемое несоответствие можно в том случае, если чёрные дыры появились не после смерти первых звёзд, а раньше их — через доли секунды после Большого взрыва.

Художественное представление двух сближающихся чёрных дыр. Источник изображения: NASA

Идею рождения миниатюрных чёрных дыр или «семян» вскоре после Большого взрыва в своё время высказал физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking). Они и сегодня могут находиться во Вселенной, медленно испаряясь в процессе излучения Хокинга. Но, ни одну миниатюрную чёрную дыру учёные так и не смогли обнаружить, как, собственно, и гипотетическое излучении Хокинга. Тем не менее, если «Уэбб» обнаруживает через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные чёрные дыры, то теория Хокинга лучше других аргументов объясняет, почему так может быть.

Часть затравок чёрных дыр могла попасть в подходящие условия, где концентрация вещества была достаточно большой, чтобы эти объекты быстро набирали массу параллельно с эволюционирующей Вселенной на самых ранних этапах её жизни, доказали учёные. Сверхмассивные чёрные дыры образовались не из звёзд (хотя некоторые — вполне), а эволюционировали параллельно первым звёздам. И как только Вселенная развеяла мрак в эпоху реионизации, она явила последующему взгляду не только первые звёзды и галактики, но также сформировавшиеся сверхмассивные чёрные дыры.

Представившая свои выводы группа астрономов считает, что сделанные ими выкладки должны побудить учёных изменить модели эволюции звёзд, галактик и, собственно, чёрных дыр, а затем проверить эти модели наблюдениями. Возможно, со временем так и произойдёт. Пока работа «Уэбба» — это пиршество для наблюдателей. Теоретики ждут наработки большего объёма материала и пока лишь скептически улыбаются.

Во время солнечных затмений мы видим солнечную корону — яркий ореол вокруг Луны, заслоняющей в такие моменты Солнце. Это светится разреженная внешняя атмосфера звезды с плотностью вакуума и температурой в миллионы градусов — корона Солнца. У чёрных дыр должна быть своя корона, но увидеть её практически нереально, зато возможно обнаружить её присутствие и определить форму.

Художественное представление диска аккреции у чёрной дыры. Источник изображения: NASA

Поиски короны чёрной дыры помогут в определении типов квазаров — активных ядер галактик. Чёрная дыра — это не тот объект, который можно рассматривать в телескоп и делать заключения об увиденном. Строго говоря, чёрные дыры — это всё ещё гипотеза. Неслучайно при присуждении Нобелевской премии по физике в 2020 году за открытие чёрной дыры в центре нашей галактики комитет осторожно написал об открытии «компактного астрофизического объекта», а не о чёрной дыре. Корона чёрной дыры — это ещё более эфемерное явление, чем существование самих чёрных дыр.

Где же у чёрных дыр корона? Известно, что чёрные дыры окружены веществом, которое формирует форму диска или тора в плоскости вращения дыры. Чем ближе вещество к горизонту событий чёрной дыры, тем быстрее оно вращается в диске и тем сильнее нагревается от трения и гравитации. Это уже зона аккреции, из которой вещество падает на чёрную дыру. И где-то на его внутреннем краю вещество превращается в нагретую до миллиардов градусов плазму. Эта сверхразогретая плазма и есть корона чёрной дыры. Другое дело, что обнаружить её и определить форму оказалось непросто.

Если диск аккреции направлен на нас своей плоскостью, то излучение короны в виде рентгеновских лучей теряется в общем излучении чёрной дыры (фактически — в излучении диска аккреции, ведь горизонт событий чёрной дыры никакой свет не покидает). При взгляде на диск аккреции сбоку свет от его центральной области блокируется более холодным веществом по краям. Но, как оказалось, не в случае короны чёрной дыры. Рентгеновское излучение от плазмы короны оказалось способным переотражаться в «бублике» газопылевого диска вокруг чёрной дыры таким образом, чтобы добираться до земного наблюдателя даже при взгляде с торца.

Учёные изучили дюжину таких «затемнённых» чёрных дыр, включая Cygnus X-1 и X-3 в Млечном Пути и LMC X-1 и X-3 в Большом Магеллановом Облаке, подняв данные обсерватории NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), и выяснили, что во всех случаях геометрия и поведение короны у чёрных дыр совпадают. Исходя из этого, геометрия и физика короны должна быть одинаковой как у чёрных дыр звёздной массы, так и у сверхмассивных чёрных дыр. Это означает, что можно собрать больше данных, в том числе, о квазарах, которые, как правило, слишком яркие, что само по себе является помехой для их изучения и любой новый способ исследования будет полезен.

В марте 2021 года в далёкой-далёкой галактике была зарегистрирована вспышка, которую приняли за сверхновую и присвоили ей индекс 2021hdr. Через год там снова полыхнуло. А когда данные начала собирать установка для поиска транзиентов им. Цвикки в Паломарской обсерватории, вспышки стали фиксироваться каждые 60–90 дней. Сверхновые так себя не ведут. Эту «дискотеку» вселенских масштабов устроило что-то другое, и ответ вскоре нашёлся.

Художественное представление слияния пары чёрных дыр с вовлечением облака газа. Источник изображения: NASA

Исходя из первых впечатлений, учёные сочли произошедшее приливным разрушением звезды чёрной дырой. Однако продолжительность повторяющихся вспышек оказалась настолько большой, что на все наблюдаемые эффекты не хватило бы никакой звезды. Тут явно было что-то другое.

Несколькими годами ранее группа учёных провела моделирование захвата системой из двух чёрных дыр, вращающихся вокруг общего центра и приближающихся к слиянию, облака молекулярного газа. Эта модель лучше всего объяснила наблюдаемые в районе события 2021hdr вспышки. Две чёрные дыры взбалтывали облако и порционно поглощали его вещество, преобразуя аккрецию в вспышки энергии. Вспышки в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах позже были обнаружены в этой области космической рентгеновской обсерваторией «Свифт».

Симуляция явления. Источник изображения: F. Goicovic et al. 2016

Собранный в разных диапазонах набор данных позволил рассчитать, что там, на расстоянии примерно 1 млрд световых лет от Земли, в созвездии Лебедя, вокруг общего центра тяжести вращается пара чёрных дыр общей массой 40 млн солнечных масс. Они находятся друг от друга на расстоянии 26 млрд км и совершают один оборот за 130 дней. Свету потребовались бы сутки, чтобы преодолеть пространство между ними. Через 70 тыс. лет эти чёрные дыры сольются. В их реальности это уже произошло миллиард лет назад, но до нас эхо от этого схлопывания докатится только через пропасть времени.

Если бы не случайно встретившееся на их пути облако межзвёздного газа, мы бы никогда не узнали, что в центре галактики 2MASX J21240027+3409114 происходит такая круговерть из чёрных дыр. Теперь учёные намерены изучить эту галактику внимательнее и оценить, насколько пара сливающихся чёрных дыр влияет на неё и ближайшие звёзды.

В последние годы в ранней Вселенной открыто много сверхмассивных чёрных дыр (СЧД), которые не должны были успеть стать настолько большими ко времени наблюдения. Для них существует чисто физический предел по скорости поглощения массы, который они обычно не могут превзойти. Тем удивительнее было найти чёрную дыру, которая по скорости поглощения вещества превысила теоретический предел в 40 раз.

Художественное представление неумеренно питающейся чёрной дыры. Источник изображения: NSF NOIRLab

Открытие сделала группа астрономов из США (из обсерваторий Gemini и NSF NOIRLab). Используя для своих целей космическую обсерваторию им. Джеймса Уэбба они наблюдали некоторое количество галактик в ранней Вселенной по следам наблюдений рентгеновской обсерватории «Чандра». Эти галактики были тусклыми в оптике, но яркими в рентгене, что свидетельствует об активности чёрных дыр в их центрах.

Внимание учёных привлекла галактика LID-568. Точное расположение этого объекта помог установить спектрометр «Уэбба». Галактика LID-568 оказалась на расстоянии 1,5 млрд лет после Большого взрыва. Проведенные оценки показали, что в центре галактики находится активная сверхмассивная чёрная дыра массой 7,2 млн солнечных масс. Это сравнительно небольшая масса для СЧД. Удивило другое. Так называемый предел Эддингтона для этой чёрной дыры был превышен в 40 раз!

Когда на СЧД падает вещество, оно закручивается вокруг неё по спирали. Все чёрные дыры во Вселенной вращаются, поскольку возникли из вращающихся объектов. Чёрная дыра создаёт при этом вокруг себя вращение пространства-времени, заставляя всё падающее на неё также вращаться по сжимающейся спирали (сила гравитации действует в этой области также вбок, а не только в сторону центра).

Сила гравитации и трение, наиболее сильные ближе к чёрной дыре, разогревают вещество в диске аккреции до свечения во всех диапазонах электромагнитного излучения. Это излучение создаёт изнутри давление на падающее на СЧД вещество и не даёт ему падать на чёрную дыру сверх определённой скорости. Этот порог и есть предел Эддингтона (в общем случае он введён для звёзд, удерживающих свои внешние оболочки от падения на ядро), хотя этот порог на относительно короткое время может превышаться и тогда проявляется сверхэддингтоновский эффект, когда темп аккреции значительно превышает эддингтоновский предел.

Похоже, учёные наткнулись на СЧД LID-568 в тот редкий момент, когда она потребляла вещество в режиме сверхэддингтоновского предела. Поэтому дальнейшие наблюдения за этим объектом могут принести массу открытий в эволюции чёрных дыр. Для учёных стало загадкой, как СЧД в ранней Вселенной смогли отъесться до настолько больших регистрируемых масс. К такому могла привести ситуация, когда первые чёрные дыры возникали непосредственно из коллапса облаков материи либо из невероятно огромных первых звёзд (ни одно, ни другое не наблюдалось).

Превышение эддингтоновского предела также может дать ответ на невероятную скорость откорма СЧД. Открытие галактики LID-568 в этом плане стало настоящей находкой.

Поскольку первое изображение чёрной дыры в центре Млечного Пути было сделано после обработки данных, полученных одновременно с восьми радиотелескопов, оно даёт несколько условное представление о реальном облике такого объекта. В зависимости от использованного алгоритма для обработки данных, чёрная дыра каждый раз будет выглядеть иначе, заявили японские учёные и представили собственный взгляд на чёрную дыру в центре нашей галактики.

Фотография чёрной дыры Стрельца А* (Sgr A*). Источник изображения: EHT

«Фотографии» чёрной дыры M87* (первой в истории) и чёрной дыры Стрельца А* (Sgr A*) в центре нашей родной галактики были сделаны так называемым Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT). Это восемь разбросанных по всей Земле радиотелескопов, которые благодаря огромной базе могли получить данные в очень высоком разрешении. Затем все они направили собранную информацию, записанную на жёстких дисках, в центр обработки, где их свели воедино. С оптическими наблюдениями такого сделать нельзя, а с радиоданными в цифре — это решаемый вопрос.

После нескольких лет обработки учёные в мае 2022 года представили изображение чёрной дыры Стрельца А* в центре Млечного Пути. В целом её вид ближе к кругу. Саму чёрную дыру увидеть нельзя, фотоны не могут покинуть её за горизонтом событий, но диск аккреции, откуда вещество падает на чёрную дыру, благодаря трению и гравитации сияет во всех диапазонах наблюдений. Собственно, именно диск аккреции представлен на всех изображениях чёрных дыр.

Исследователи из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ) посчитали, что учёные коллаборации EHT допустили неточности при обработке данных. Использованный ими алгоритм ошибочно представляет отсутствующие данные. Для более точной интерпретации следовало выбрать другой метод обработки.

«Мы предполагаем, что изображение кольца было результатом ошибок во время анализа изображений EHT, и что часть его была артефактом, а не реальной астрономической структурой», — рассказали японские астрономы.

«Настоящее» изображение Стрельца А*. Источник изображения: NAOJ

Обработка данных с помощью альтернативного алгоритма представила чёрную дыру Стрельца А* вытянутым с востока на запад объектом. Восточная часть выглядит ярче, что учёные объяснили эффектом Доплера — диск аккреции летит нам навстречу. Сам диск наклонён по отношению к лучу зрения с Земли на 40–45 °, а скорость его вращения достигает 60 % от скорости света. Правильная интерпретация данных дала больше информации, чем получено после представления официальной фотографии.

В то же время необходимо признать, что сегодня можно лишь с осторожностью говорить о точности той или иной интерпретации данных, с помощью которых восстанавливают облик чёрных дыр. Помимо сложностей с их получением необходимо помнить, что пространство-время в значительной степени искривлено вблизи таких объектов, и что там можно понять — это большой вопрос.

Нашумевшая «Задача трёх тел» китайского писателя-фантаста Лю Цысиня наглядно показала, насколько неустойчивым и поэтому редким явлением во Вселенной может быть звёздная система из трёх объектов звёздной массы (звёзд или чёрной дыры). Тем удивительнее стало открытие такой системы, в центре которой впервые была обнаружена чёрная дыра.

Художественное представление системы V404 Лебедя (чёрная дыра разрывает ближайшую звезду и удерживает далёкую). Источник изображения: Jorge Lugo

Источником информации для открытия стали собранные европейским астрометрическим спутником «Гайя» (Gaia) данные. Этот аппарат создаёт динамический трёхмерный каталог звёзд в Млечном Пути и немного за его пределами. «Гайя» определяет вектор и скорость движения звёзд, что позволяет определить гравитационно-связанные объекты и выявить двойные и даже тройные системы.

Согласно данным измерений «Гайи», изначально считавшаяся двойной системой V404 Лебедя (Cygni) включает в себя третью звезду. Система удалена от Земли на 7800 световых лет. Недалеко от компактного центра в виде чёрной дыры звёздной массы и разрываемой ею близкой звезды с орбитальным периодом в 6,5 суток находится третья звезда, по-видимому, гравитационно связанная с системой. Нюанс в том, что эта звезда находится на удалении 3500 а.е. от чёрной дыры и делает полный оборот вокруг неё за 70 тыс. лет. Эта звезда была видна и раньше, но только измерения «Гайи» смогли показать её связь с двумя центральными объектами.

Собственно, в такой конфигурации пресловутая задача трёх тел решается положительным образом — такая система будет гравитационно устойчивой условно бесконечно долгое время. Суть открытия в другом — гравитационная привязка третьей далёкой звезды к центральной паре настолько слабая, что в данной ситуации кажется невозможной.

Слева изображение центральной пары и далёкой звезды в оптике, справа — в инфракрасном диапазоне. Источник изображения: Nature 2024

Дело в том, что центральная чёрная дыра должна была образоваться в результате взрыва сверхновой, сбросить внешнюю оболочку и коллапсировать ядром. Все эти бурные проявления должны были бы разорвать слабую гравитационную связь с третьей звездой. Этого не произошло бы только в том случае, если бы коллапс произошёл без взрыва сверхновой. Такое явление теоретически возможно, но его сложно обнаружить и подтвердить наблюдениями (сверхновую будет видно в любом случае).

Моделирование ситуации с системой Лебедя V404 показало, что коллапс центральной звезды внутрь — это наиболее вероятный сценарий для описания того, что астрономы увидели в данных «Гайи» и последующих наблюдениях за системой. Сразу же возник вопрос — это так повезло, или тройные системы с чёрными дырами — это непременный или часто случающийся этап эволюции чёрных дыр? Ответ на него могут дать только последующие наблюдения.

Учёные впервые наблюдали серию квазипериодических вспышек в мягком рентгеновском диапазоне от сверхмассивной чёрной дыры вскоре после обнаруженного там же события приливного разрушения звезды чёрной дырой. Ранее столь однозначной связи между этими двумя явлениями не было, что оставляло пространство для научных споров.

Художественное представление приливного разрушения звезды чёрной дырой. Источник изображения: NASA

«Представьте себе пловца, который постоянно ныряет в бассейн и создаёт всплеск каждый раз, когда входит в воду, — пояснил суть проблемы Мэтт Николл (Matt Nicholl) из Королевского университета в Белфасте, Великобритания, ведущий автор исследования, опубликованного в текущем номере журнала Nature. — Звезда в этом сравнении похожа на ныряльщика, а диск [аккреции] — на бассейн, и каждый раз, когда звезда ударяется о поверхность, она создает огромный "всплеск" газа и рентгеновских лучей. Вращаясь вокруг чёрной дыры, звезда повторяет это снова и снова».

Разрушившее звезду приливное явление, известное как AT2019qiz, было впервые обнаружено в 2019 году широкоугольным оптическим телескопом Паломарской обсерватории. В 2023 году астрономы использовали рентгеновский телескоп «Чандра» и телескоп «Хаббл» для изучения последствий разрушения — следов упавшей на чёрную дыру материи в виде активности её аккреционного диска.

Данные «Чандры» были получены в ходе трёх наблюдений, каждое из которых продолжалось 4–5 часов. Общая экспозиция, составившая примерно 14 часов, показала слабый сигнал в начале и в конце наблюдений и очень сильный сигнал в середине цикла. Наблюдения с помощью приборов NICER, обсерватории Swift и индийского телескопа AstroSat позволили установить, что после разрушения звезды в приливном событии AT2019qiz из области чёрной дыры примерно каждые 48 часов исходили слабые вспышки в мягком рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские изображения AT2019qiz, полученные 9 и 10 декабря 2023 года. Источник изображения: Matt Nicholl / Nature 2024

Данные обсерватории «Хаббл» в ультрафиолетовом диапазоне помогли понять, насколько увеличился аккреционный диск чёрной дыры за счёт новой порции материи. Учёные предполагают, что диск аккреции увеличился настолько, что в него стал нырять компактный объект — звезда или чёрная дыра, которая вращается по орбите вокруг чёрной дыры, разорвавшей звезду. Помимо того, что учёные могут прояснить один из механизмов возникновения квазипериодических вспышек в рентгеновском диапазоне у чёрных дыр, проделанная работа может помочь получить более чёткое представление о размерах и динамике изменения аккреционного диска у конкретных чёрных дыр.

Новая работа астрономов проливает свет на загадку массового образования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. В нормальных условиях их скорость поглощения вещества не позволила бы им вырасти до наблюдаемых размеров. Альтернативные гипотезы также не объясняют это явление. По крайней мере, новая перепись сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной показала гораздо больше таких объектов, чем считалось ранее.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В новом исследовании с помощью наблюдений «Хаббла» (в отдельной работе это подтвердили наблюдения «Уэбба») астрономы искали сверхмассивные дыры (СЧД) и признаки их существования в первый миллиард лет после Большого взрыва. Так далеко (или так рано) сверхмассивные дыры обнаруживают себя лишь в виде квазаров — активных ядер галактик или, по сути, активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.

Проблема в том, что так можно обнаружить далеко не все СЧД. Чёрные дыры могут питаться падающим на них веществом порциями и долгое время оставаться невидимыми на таких расстояниях, ведь в отсутствии аккреции они ничего не излучают. Именно это и обнаружили учёные, о чём они сообщили в статье в Astrophysical Journal Letters. Оказалось, что в ранней Вселенной было намного больше гораздо менее ярких чёрных дыр, чем предполагали предыдущие оценки. Важно, что это может помочь понять, как они образовались, и почему многие из них кажутся более массивными, чем ожидалось.

В новой работе учёные пришли к выводу, что в ранней Вселенной во много раз больше чёрных дыр большой массы, чем считалось ранее. Стандартная космологическая модель не допускает образования такого количества массивных зародышей чёрных дыр из коллапса облаков вещества. На это просто не хватило бы скоплений тёмной материи, которая обеспечила бы схлопывание вещества до рождения наблюдаемого количества массивных чёрных дыр или их зародышей. Тем самым учёные приходят к выводу, что механизм множественного образования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной мог быть также другим.

Альтернативный или добавочный механизм появления зародышей сверхмассивных чёрных дыр учёные предлагают искать в некоторых первичных звёздах. Обычно звезда определённой массы после превращения в сверхновую схлопнула бы своё ядро до превращения в чёрную дыру. Но если в ядро первичной звезды попала бы тёмная материя, то это задержало бы возникновение ядерного синтеза на обычном этапе и позволило бы звезде набрать в тысячи раз большую массу. В итоге её ядро всё равно бы сжалось под действием гравитации и стало чёрной дырой. Но это была бы уже изначально массивная чёрная дыра, динамика питания которой уже хорошо ложится на известную нам эволюцию этих объектов.

В теории астрономы могут обнаружить подобные «тёмные» звёзды и даже застать их в процессе взрыва сверхновых, но это потребует усилий и скоординированных действий многих учёных.

Гипотетические первичные чёрные дыры ещё ни разу не обнаружили себя, и учёные думают, как это сделать. Естественным индикатором подобных объектов в Солнечной системе мог бы выступить Марс, считают учёные из Массачусетского технологического института (MIT). Пролёт первичной чёрной дыры через нашу систему вызвал бы отклонение орбиты Марса на 1 метр, что сегодня легко различимо. Впрочем, для такого открытия нужно ещё немного удачи и терпения.

Художественное представление первичной чёрной дыры на орбите Марса. Источник изображения: Benjamin Lehmann, MIT

Расчёты показывают, что если первичные чёрные дыры существуют и хоть как-то соответствуют представлениям учёных, то через Солнечную систему они пролетают примерно раз в десять лет. В таком случае придётся запастись терпением и подготовиться, если поставить цель стать свидетелем этого явления.

Согласно наиболее распространённым современным представлениям, первичные чёрные дыры могли образоваться в первые доли секунды после Большого взрыва из коллапсирующих облаков газа и затем рассеялись по Вселенной. Каждая первичная чёрная дыра — это фактически сосредоточенная в одной точке пространства масса, сравнимая с массой астероида. Астероиды в Солнечной системе также оказывают влияние на орбиты планет, включая Марс, но ввиду относительно небольших размеров и массы это влияние проявляется крайне слабо и за очень большой промежуток времени.

Первичные чёрные дыры в этом отношении обладают одним решительным преимуществом. Они пролетают через Солнечную систему со скоростью порядка 200 км/с, что оказывает достаточно сильное, единовременное влияние на орбиты планет, которые они пересекают. Согласно анализу, для отклонения орбиты Марса на один метр первичная чёрная дыра должна пролететь мимо него на расстоянии 450 млн км. Другие планеты, включая Землю и Луну, менее пригодны для детектирования первичных чёрных дыр подобным образом. Дело не в самом Марсе, а в том, что это сегодня наиболее наблюдаемая планета в Солнечной системе. По его поверхности передвигаются марсоходы, а по орбите летают станции, с которыми постоянно поддерживается разносторонняя связь. Это позволяет вести прямые измерения орбитального движения Красной планеты с точностью до 10 см.

Забавно, что идея использовать Марс как детектор первичных чёрных дыр родилась из вопроса учёному MIT о том, что произойдёт с человеком, если в метре от него пронесётся первичная чёрная дыра. Учёный рассчитал, что человека при этом швырнёт на шесть метров за одну секунду. Чья-то любознательность трансформировалась в серьёзную работу, которая (вдруг повезёт!) может привести к открытию первичных чёрных дыр и даже раскрыть тайну тёмной материи, которая вполне может оказаться теми самыми первичными чёрными дырами, а не загадочным веществом.

Сегодня накоплено множество наблюдательных данных об астероидах в Солнечной системе, и объём этой информации постоянно растёт. Эти данные помогут оценить влияние этих небесных тел на орбиты планет и подготовить почву для эксперимента по детектированию первичной чёрной дыры.

Группа китайских учёных опубликовала в Nature статью, в которой сообщила об обнаружении кандидата в редкие чёрные дыры звёздной массы. Объект массой 3,6 солнечных находится на удалении 5825 лет от Земли. Подобных кандидатов найдено меньше десятка. Открытие может дать ответы на множество вопросов о чёрных дырах предельно малой массы, которые учёные, возможно, просто ещё не научились регистрировать.

Чёрная дыра звёздной массы в представлении художника. Источник изображения: Daniëlle Futselaar/artsource.nl

Китайские учёные для поиска экзотических объектов воспользовались данными европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia). Спутник собирает данные о скорости и направлении движения звёзд в нашей галактике и немного за её пределами. Это позволит создать наиболее полную объёмную динамическую карту Млечного Пути, которая уже стала источником ценных данных о далёких звёздах и системах.

В частности, группа исследователей обнаружила необычно движущегося по небу красного гиганта, получившего идентификатор G3425. Звезда с массой 2,7 солнечных за 880 дней описывала в небе почти правильную окружность вокруг некого центра масс. Учёные заново проанализировали найденный объект собственными приборами и не обнаружили вблизи центра масс никакого регистрируемого источника излучения — обычной звезды или нейтронной звезды. Ответ остаётся только один — там находится чёрная дыра звёздной массы, расчёты которой определяют объект как 3,6 солнечных масс.

Согласно общепринятой теории, белые карлики не могут быть тяжелее 1,4 масс Солнца, а нейтронные звёзды не превышают 2,3 солнечных масс. Всё что тяжелее, под действием гравитации должно схлопнуться и стать чёрной дырой. Проблема в том, что обнаружено крайне мало кандидатов на роль чёрных дыр звёздной массы. Ради справедливости надо сказать, что такие объекты сложно обнаружить. Они оказывают очень слабое гравитационное воздействие на партнёров, чтобы его можно было различить нашими приборами. Также такие объекты не отличаются прожорливостью в силу своих маленьких размеров, что затрудняет их обнаружение в рентгеновском диапазоне, когда вещество падает на чёрную дыру и излучает.

Находка объектов, подобных G3425, крайне ценна для понимания эволюции чёрных дыр. При этом она оставляет вопросы. Например, круговая орбита красного гиганта в теории не должна была сохраниться в двойной системе, одна из звёзд которых взорвалась сверхновой и превратилась в чёрную дыру. Вторую звезду либо сорвало бы прочь, либо сделало бы её орбиту сильно вытянутой. Впрочем, идеальные открытия случаются ещё реже. Остаётся наблюдать и искать подобное, чтобы потом методами статистического анализа подобраться к истине.

Известно, что потоки улетающего от чёрных дыр вещества и энергии (джеты) способны быстро лишить галактику-хозяйку питания для зарождения новых звёзд и дальнейшего роста. Но теперь сделано открытие, которое заставляет заподозрить джеты во влиянии на вселенские процессы. Учёные обнаружили джеты длиной в 23 млн световых лет — от таких струй изменится архитектура целых локальных участков Вселенной, а это уже инструмент для эволюции мироздания.

Художественное представление джетов из активной галактики в нити тёмной материи. Источник изображения: Caltech

Найденный астрономами Калифорнийского технологического института объект из пары джетов от активной галактики простирается примерно на 7 Мпк (мегапарсек). Это примерно как пять раз слетать туда и обратно в соседнюю с нами галактику Андромеда. Выброс вынес колоссальную энергию из сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики-хозяйки, сравнимую с энергией, выделяемой при столкновении галактических скоплений (10⁵⁵ Дж). В целом учёным повезло с обнаружением этого объекта. Он выявлен на пределе чувствительности наших приборов и если бы возник чуть раньше или был чуть слабее, то явление осталось бы незамеченным.

За свои размеры объект получил имя гиганта Порфириона (Porphyrion) из древнегреческой мифологии. Его джеты раскинулись на 6,4 Мпк. Истинные размеры джетов учёные оценили на уровне чуть более 7 Мпк, поскольку есть признаки того, что мы наблюдаем за ними под небольшим углом в нашу сторону. Сам объект был обнаружен в данных наблюдений радиотелескопа LOFAR за Северным полушарием. Их пропустили через систему машинного обучения и ручной отбор внештатных учёных. Всего было обнаружено свыше 11 тыс. джетов, которые были протяжённее одного Мпк.

Данные по Порфириону были проверены с помощью другого радиотелескопа — uGMRT и дополнены наблюдениями обсерватории Кека. Измерения и спектральный анализ показали, что вероятная галактика — источник джетов — находится на удалении 6,3 млрд лет от Большого взрыва. Струи вещества обычно выбрасываются из полюсов чёрной дыры, где их направляет и ускоряет её электромагнитное поле. Это естественный ускоритель частиц, который в данном случае разогнал вещество джетов (плазму) до скорости 0,012 от световой. Чтобы достичь наблюдаемых размеров струям пришлось путешествовать по Вселенной около 500 млн лет.

Изображение следов джетов в данных радиотелескопов (яркие области означают столкновения джетов с веществом)

Поскольку джеты сохранили форму и направление, учёные делают вывод, что, во-первых, породившая их чёрная дыра не меняла ось своего вращения и, во-вторых, что галактика-хозяйка окружена войдами (пустотами). Джеты не встречали на своём пути достаточно много вещества — газа и пыли — чтобы рассеяться. Это также означает, что галактика-хозяйка находилась в нити тёмной материи, которая как паутиной пронизывает и связывает всю Вселенную и является матрицей для формирования галактик.

С учётом небывалой протяжённости обнаруженных джетов, они могли стать переносчиком массы и энергии в соседние нити и, тем самым, были способны повлиять на основы формирования ткани самой Вселенной. Не исключено, что мы просто не видим всех подобных явлений, особенно на ранних этапах формирования мироздания, когда Вселенная явно была плотнее. Если таких объектов много и они возникают достаточно часто, вероятно придётся их учитывать для моделирования эволюции галактик и Вселенной. Но для этого пока не хватает данных, так что наблюдения будут продолжены.

Группа американских учёных при помощи космических телескопов «Чандра» (Chandra) и «Хаббл» (Hubble) обнаружила расположенную в относительной близости от Земли пару сверхмассивных чёрных дыр, которые ждёт слияние.

Источник изображений: nasa.gov

Две сверхмассивные чёрные дыры расположены в переживающих слияния галактиках MCG-03-34-64 на расстоянии 800 млн световых лет от нас — сами объекты разделяют всего 300 световых лет. Они активно поглощают газ и пыль в окрестностях, производя выбросы излучения и вещества — джеты. Такие области называются активными ядрами галактик, и они могут быть настолько яркими, что их свет перебивает свет всех звёзд в их галактиках.

Эта пара находится на огромном расстоянии от Земли, но это все равно самая близкая пара активных ядер галактик, которые наблюдаются в нескольких диапазонах: у «Хаббла» это видимый свет, а у «Чандры» — рентгеновское излучение. Ранее была обнаружена пара сверхмассивных чёрных дыр, расположенных ближе друг к другу, чем эта, но их присутствие удалось подтвердить только в радиочастотном диапазоне.

В будущем расстояние между двумя объектами будет сокращаться. Вращаясь вокруг друг друга, они производят рябь в пространстве и времени — гравитационные волны. Это вызывает сокращение их углового момента, провоцируя сближение чёрных дыр. Примерно через 100 млн лет они окажутся настолько близко друг к другу, что их огромная гравитация возьмёт верх, после чего произойдёт их столкновение и слияние.

Считается, что двойные активные ядра галактик в ранней Вселенной были распространенным явлением, когда чаще происходили и слияния самих галактик. Сейчас учёным представилась уникальная возможность наблюдать это явление — двойную систему открыли благодаря счастливой случайности: «Хаббл» обнаружил её среди данных, указывавших на высокую концентрацию кислорода в небольшой области MCG-03-34-64. Впоследствии этот же регион изучили при помощи «Чандры».

На достигнутом астрономы останавливаться не стали — они запросили архивы наблюдений наземного комплекса VLA (Very Large Array) в американском штате Нью-Мексико, и те показали, что пара сверхмассивных чёрных дыр также испускает мощные радиоволны. «Хаббл» же обнаружил и третий яркий источник света в этой области: предполагается, что это газ, на который оказал воздействие плазменный джет, выпущенный одной из чёрных дыр — так струя воды из садового шланга обрушивается на кучу песка.

Небольшая доля известных чёрных дыр излучает сигналы в рентгеновском диапазоне, структура которых напоминает человеческое сердцебиение. Китайские учёные в новом исследовании, возможно, нашли объяснение этому странному явлению.

Поглощение вещества чёрной дырой в объекте Лебедь X-1. Источник изображения: icrar.org

Чёрные дыры хотя и не являются живыми объектами, у них может быть своё сердцебиение, если они поглощают большие объёмы газа. И авторы нового исследования попытались разобраться в этом процессе. Когда чёрная дыра находится в двойной системе, то есть делит орбиту со звездой, она вытягивает из своего компаньона газ. Когда это происходит, газ сжимается и нагревается до чрезвычайно высоких температур, испуская при этом интенсивное рентгеновское излучение. Этот процесс, например, помог идентифицировать чёрные дыры в Лебеде X-1 — одном из самых ярких источников рентгеновского излучения на небе.

При этом интенсивном поглощении вещества, которое может продолжаться тысячи и даже миллионы лет, иногда может происходить колоссальный выброс — внезапная рентгеновская вспышка, вызванная быстрым потреблением огромного количества вещества за один раз. В такой вспышке оказывается встроен регулярный импульс активности, который учёные сравнивают с сердцебиением, потому что его схема напоминает человеческую ЭКГ с медленным нарастанием, быстрым спадом и последующим возвращением к норме.

Астрономы Основной лаборатории астрофизики элементарных частиц Китайской академии наук в Пекине изучили последнюю такую вспышку и описали процесс, который может её подпитывать. Эту вспышку произвела чёрная дыра IGR J17091-3624 на расстоянии 28 000 световых лет от Земли — данные были получены при помощи телескопов Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) и Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) в 2022 году. В яркой вспышке астрономы обнаружили явные доказательства присутствия сигнала, похожего на сердцебиение. Изучая его свойства, они пришли к выводу, что эти виды импульсов вызваны взаимодействиями и нестабильностью в веществе, которое окружает чёрную дыру.

Когда вещество падает в чёрную дыру, оно сжимается и формирует тонкий диск, который быстро вращается. Внутренний край этого диска наклонён к горизонту событий, а остальная его часть светится в рентгеновском диапазоне. Образуется нестабильность — излучение диска вступает в противодействие с гравитацией чёрной дыры. При возникновении сердцебиения диск фрагментируется, теряет связность, а к чёрной дыре устремляется большой сгусток вещества. Он производит интенсивное излучение, которое оказывается началом сердцебиения. Это излучение нагревает газ, что временно препятствует его падению. Далее газ успокаивается, и процесс повторяется, подготавливая почву для другого цикла сердцебиения. Такие сигналы чрезвычайно редки — их показали лишь две чёрные дыры, — но учёные надеются продолжить изучение этого явления, поскольку оно даёт ценную информацию о связи чёрных дыр и их окружения.