Группа учёных из Государственного университета Пенсильвании провела глобальный анализ динамики роста сверхмассивных чёрных дыр. Данные брались из показаний рентгеновских обсерваторий и моделирования. Работа позволила проследить за тем, как сверхмассивные чёрные дыры набирали примерно 90 % своей массы за последние 12 млрд лет. Набор первоначальных 10 % массы остался тайной времён юной Вселенной, разгадать которую ещё предстоит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Сверхмассивные чёрные дыры (СЧД) с массой более одного миллиона солнечных в основном растут за счёт двух процессов: аккреции вещества (его падения на чёрную дыру) и слияния с другими чёрными дырами. О скорости и интенсивности аккреции, которая предсказуемо увеличивает массу СЧД, можно напрямую судить по интенсивности рентгеновского излучения от этих объектов. Разогретый газ во внутренней зоне аккреционного диска попадает также на полюса СЧД, где его энергия выплёскивается вместе со струёй вещества (в джете). В рентгене это всё отлично отображается и измеряется космическими рентгеновскими обсерваториями. Рассчитать скорость набора массы по этим данным не составит труда, и в среднем она составляет одну солнечную массу в год.

Слияния чёрных дыр более сложный процесс для измерения динамики питания СЧД. Но у учёных есть наблюдения, что обычно происходит при слияниях двух и более галактик с СЧД в центрах каждой из них. Если подключить к вычислениям статистику, то моделирование даст более-менее точную оценку роста СЧД от процессов слияния. Согласно полученным данным, этот процесс соответствует приросту массы СЧД на одну солнечную каждые несколько десятилетий.

Описанные процессы набора массы сверхмассивными чёрными дырами объясняют набор лишь 90 % массы каждой из них, что произошло за последние 12 млрд лет. За оставшиеся 1,8 млрд лет после Большого взрыва у нас нет данных, как будущие СЧД смогли набрать 10 % своей массы. Это ещё предстоит выяснить, с чем сейчас, например, помогает разбираться инфракрасная обсерватория «Джеймс Уэбб». Также интересно отметить, что СЧД перестали расти примерно 8 млрд лет назад. Похоже, необходимый для их питания газ к тому времени был в основном поглощён, а процессы слияния замедлились из-за расширяющейся Вселенной.

Учёные сообщили о крупнейшем за всю историю наблюдений приливном разрушении чёрной дырой очень массивной звезды. По горячим следам вспышки её приняли за сверхновую, хотя она полыхнула на удалении 9 млрд световых лет. Детальное изучение явления позволило сделать сенсационный вывод — это была гибель самой массивной в истории наблюдений звезды от оков гравитации чёрной дыры.

Художественное представление приливного разрушения звезды чёрной дырой. Источник изображения: ESA/C. Carreau

Событие TDE AT2023vto было невероятно ярким. Немудрено, что оно поначалу было приписано явлению сверхновой. Последующий анализ данных и наблюдение за объектом во всех доступных диапазонах волн показали, что мы с большой вероятностью имеем дело с разрушением звезды в пределах гравитационного воздействия чёрной дыры. Расчёты заставили удивиться учёных. На обед чёрной дыре досталась звезда, в девять раз массивнее Солнца (9,1 массы). Совершившая это злодейство чёрная дыра в центре далёкой галактики тоже была немаленькая — в 10 млрд раз массивнее нашей звезды.

До сих пор явления приливного разрушения охватывали диапазон масс от 0,1 до 2 солнечных масс. На этом фоне зафиксированное 9 сентября 2023 года событие TDE AT2023vto стало огромным по масштабам. Для учёных это настоящая находка — лабораторный эксперимент с новыми переменными, который никогда нельзя будет поставить в земной лаборатории. Поэтому за местом явления будут продолжать следить.

Кстати, есть ещё один повод продолжить наблюдение. Событие TDE AT2023vto не сопровождалось обычным в таких случаях релятивистским джетом — своеобразной отрыжкой чёрной дыры, выбросом излучения и энергии в пространство с субсветовой скоростью. Такое происходит, когда вещество падает на чёрную дыру. Тем самым TDE AT2023vto стало самым далёким из обнаруженных событием приливного разрушения без джета или с джетом слабой интенсивности, что делает открытие вдвойне интереснее.

Всего в 0,1 световом годе от центра Млечного Пути может находиться чёрная дыра промежуточной массы — существование таких объектов пока не доказано, а кандидатов можно пересчитать по пальцам одной руки. Между чёрными дырами звёздной массы и сверхбольшими существует пропасть, что делает необъяснимым обычную эволюцию чёрных дыр. Как и другие объекты во Вселенной, чёрные дыры должны питаться и расти постепенно, а не перескакивать из одного состояния в другое.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Примерно четверть века назад в центре нашей галактики было открыто компактное звёздное скопление IRS 13. Оно с самого начала ставило учёных в тупик, а по мере совершенствования инструментов наблюдения становилось всё загадочнее и загадочнее. Сначала учёные думали, что это сверхмассивная звезда. Затем IRS 13 переквалифицировали в двойную звёздную систему. Потом сочли, что это так называемая звезда Вольфа–Райе. Новая работа астрономов из Кёльнского университета показала, что IRS 13 может быть небольшим звёздным скоплением с компактным источником массы внутри.

Но во всём этом есть одна изюминка. Скопление IRS 13 расположено рядом с чёрной дырой Стрелец A* (Sgr A*) массой 4,3 млн солнечных масс, расположенной в центре Млечного Пути. Чёрная дыра Стрелец A* должна была повлиять на траекторию звёзд в скоплении IRS 13 и разорвать его. Однако этого не происходит, что заставило учёных заподозрить о существовании некоего «цементирующего» центра у скопления.

Анализ движения звёзд в IRS 13 и моделирование показали, что в середине скопления может находиться компактный невидимый объект массой 30 тыс. солнечных. Поскольку в промежутке масс от 100 до 100 тыс. солнечных масс нет достаточно надёжно подтверждённых чёрных дыр, уверенное открытие объекта массой 30 тыс. солнечных масс обещает стать значимым событием в астрономии. Это может быть первая подтверждённая чёрная дыра промежуточной массы, которая гарантировано не могла появиться после взрыва сверхновой или от слияния двух ядер звёзд. Она должна была питаться и эволюционировать обычным образом, чтобы вырасти до измеряемой массы.

Учёные попытались больше узнать о таинственном объекте в центре IRS 13 и обнаружили в месте предполагаемого размещения чёрной дыры рентгеновское излучение и облако ионизированного газа, вращающегося со скоростью 130 км/с, что стало ещё одним подтверждением обнаружения именно чёрной дыры. Поскольку одна работа не может служить надёжным доказательством удивительного открытия, наблюдения за объектом IRS 13 будут продолжены. Если там действительно окажется чёрная дыра, то она также будет считаться кандидатом для поглощения чёрной дырой Стрелец A*, а это ещё один шажок в сторону обычной эволюции чёрных дыр: они действительно питаются и растут.

Обнаружить чёрные дыры — та ещё задача, ведь они буквально невидимы во всех диапазонах излучения. Но абсолютно неуловимыми оказались чёрные дыры промежуточной массы, превышающие массу Солнца в 10–10 000 раз. Меньше — пожалуйста, больше — сколько угодно. Но между крайними состояниями — пустыня. Но так было. Новая работа предполагает обнаружение наиболее вероятного кандидата в чёрные дыры промежуточной массы и даже недалеко от нас.

Источник изображения: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Открытие сделали учёные, решившие изучить калибровочные данные космического телескопа «Хаббл». Более 20 лет телескоп калибровал свои приборы, делая снимок самого близкого к нам в нашей галактике шарового скопления Омега Центавра (NGC 5139). Это скопление удалено от Земли на 18 тыс. световых лет и содержит миллионы звёзд. За всё время набралось свыше 500 превосходных снимков этого объекта, что позволило отследить траектории движения множества его звёзд.

Анализ траекторий звёзд в центре скопления выявил аномалию для семи из них. Их скорости оказались слишком большими, чтобы оставаться в центре скопления. Что-то удерживало эти звёзды, и это что-то должно было быть довольно компактным. Моделирование показало, что наиболее вероятным кандидатом для обнаруженного явления может быть чёрная дыра массой около 8200 солнечных масс или больше. Не исключено, что там может быть компактная группа чёрных дыр меньшей массы. В любом случае для учёных появился шанс сделать долгожданное открытие чёрной дыры промежуточной массы.

Для науки пока большая загадка, как чёрные дыры проскакивают пустыню от объектов малой массы к сверхмассивным. Они ведь должны расти постепенно? Следовательно, во Вселенной должно быть неисчислимое количество чёрных дыр промежуточной массы, но их нет и это проблема.

Активные ядра галактик или квазары — это живущие полной жизнью сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик. Эти объекты хорошо известны астрономам, но ещё ни разу не удавалось увидеть их рождение — они для земной науки были всегда. Группе европейских астрономов впервые удалось обнаружить начало пробуждения сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики — увидеть начало рождения квазара, что позволило наблюдать за процессом в реальном времени.

Пробуждение чёрной дыры в центре галактики в представлении художника. Источник изображения: ESO

Стартом для открытия послужило внезапное увеличение яркости до этого ничем не примечательной галактики SDSS1335 + 0728 в конце 2019 года. Эта галактика находится на удалении 300 млн световых лет от нас в созвездии Девы. В принципе, такое случается, когда спокойная чёрная дыра в центре галактики разрывает пролетающую мимо звезду. Это называется приливное разрушение, что на время позволяет чёрной дыре вспыхнуть от вновь падающего на неё вещества.

Но в этот раз это было явно не приливное событие, которое длится от нескольких десятков до сотен дней. Центральная область SDSS1335 + 0728 становилась всё ярче и ярче, что продолжается до сих пор. Такого учёные раньше не встречали. Не исключено, что это что-то новое в приливном разрушении. В то же время остаётся большая вероятность, что мы наблюдаем за рождением квазара или, что звучит устрашающе, за пробуждением сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Почему устрашающе? Чёрная дыра в центре нашей галактики тоже способна выкинуть подобный фокус.

«[Этот] процесс <...> никогда раньше не наблюдался», — поясняют учёные. В предыдущих исследованиях сообщалось, что неактивные галактики становятся активными через несколько лет, но это первый случай, когда сам процесс — пробуждение чёрной дыры — наблюдался в режиме реального времени. «Это то, что может произойти и с нашей собственной Sgr A*, массивной чёрной дырой <...>, расположенной в центре нашей галактики», — добавляют исследователи, но неясно, насколько велика вероятность, что это произойдёт.

Эпоха реионизации Вселенной была насыщена различными событиями в жизни первых галактик, включая их столкновения. До сих пор учёные обнаруживали отдельные галактики (квазары), но не их тесные пары во взаимодействии. Первым удивительное открытие сделал учёный из Японии, который в данных телескопа Subaru увидел признаки слияния двух древних галактик примерно через 900 млн лет после Большого взрыва.

Художественное представление столкновения двух квазаров. Источник изображения: International Gemini Observatory

«Существование сливающихся квазаров в эпоху реионизации ожидалось долгое время, — объяснил астроном Йошики Мацуока (Yoshiki Matsuoka) из Университета Эхимэ в Японии. — Теперь это впервые подтверждено». «Просматривая изображения кандидатов в квазары, я заметил два похожих и чрезвычайно красных источника рядом друг с другом, — сказал автор работы. — Открытие было чисто случайным».

Чтобы подтвердить открытие и выяснить детали события были проведены новые наблюдения с использованием телескопов Subaru, Gemini North, а также радиотелескопа ALMA. Данные с радиотелескопа проходят обработку и будут представлены в отдельной работе (они дадут характеристику пыли и газа вокруг сливающихся галактик). Данные с телескопов Subaru и Gemini North раскрыли суть явления и представлены в работе, принятой к публикации в апреле этого года.

Что было видно в телескоп «Субару». Источник изображения: NOIRLab/NSF/AURA/T.A. Rector, D. de Martin & M. Zamani

Выяснилось, что два объекта — квазары или активные ядра галактик — находились очень далеко от нас и в тесном взаимодействии друг с другом. Между квазарами было всего 40 тыс. световых лет. Их соединял газовый мост, доказывающий обмен веществом и работу процесса слияния. Значительная доля света от каждого квазара возникала от процесса звездообразования. В то же время в центре каждого из квазаров находилась колоссальная чёрная дыра, массой около 100 млн солнечных масс каждая . Для сравнения, чёрная дыра в центре нашей галактики имеет массу всего 4,3 млн солнечных масс. Обнаружение очередного древнего и супермассивного объекта — это снова удача и снова задача для теоретиков, слишком быстро и очень большие чёрные дыры стали обнаруживаться в ранней Вселенной.

Открытие японского учёного недолго оставалось единственным в своём роде. Через несколько недель появилась новая публикация, данные для которой собрал невообразимый «Джеймс Уэбб». С его помощью было открыто ещё более раннее слияние двух сверхмассивных чёрных дыр (квазаров) — всего через 740 млн лет после Большого взрыва.

Джеты — струи плазмы — сверхмассивных чёрных дыр хорошо различимы во многих спектрах от гамма-диапазона до видимого. Но это не означает, что учёные в полной мере представляют микрофизику струй. Что на самом деле происходит в облаке летящей с околосветовой скоростью плазмы — это всё ещё загадка, ответ на которую пытаются дать теория и моделирование. Попытку воспроизвести плазменную струю чёрной дыры на Земле совершили физики ЦЕРНа. И у них получилось.

Художественное представление джета чёрной дыры. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Для эксперимента учёные воспользовались установкой HiRadMat для бомбардировки материалов высокоэнергетическими пучками протонов. С её помощью обычно исследуются перспективные материалы или компоненты ускорителя. На этот раз учёные были намерены получить струю плазмы в виде электрон-позитронных пар. Считается, что именно такая плазма преобладает в джетах сверхмассивных чёрных дыр. Для этого пучок протонов в количестве 300 млрд частиц с синхротрона направили на мишени из графита и тантала. Удар по мишеням запустил каскад взаимодействий частиц, в результате которого возникло достаточное количество электрон-позитронных пар для поддержания стабильного состояния плазмы.

Энергии протонов было достаточно, чтобы из ядер углерода в графите были высвобождены субатомные частицы пионы. Пионы в свою очередь быстро распадались на гамма-лучи высокой энергии. Затем эти гамма-лучи взаимодействовали с электрическим полем тантала, которое производило пары электронов и позитронов. В ходе тестового запуска было произведено 10 трлн электрон-позитронных пар — этого более чем достаточно, чтобы искусственно созданное облако частиц начало вести себя как настоящая плазма.

Источник изображения: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics illustration / Heather Palmer

«Основная идея этих экспериментов заключается в воспроизведении в лаборатории микрофизики астрофизических явлений, таких как струи из чёрных дыр и нейтронных звезд, — рассказали исследователи. — То, что мы знаем об этих явлениях, получено почти исключительно из астрономических наблюдений и компьютерного моделирования, но телескопы не могут по-настоящему исследовать микрофизику, а моделирование требует приближений. Лабораторные эксперименты, подобные этим, являются связующим звеном между этими двумя подходами».

Группа физиков из Массачусетского технологического института подвела основу под теорию идентичности тёмной материи и первичных чёрных дыр. Сделано это оригинальным образом — за счёт внедрения в процесс новых элементов — экстремально маленьких экзотических чёрных дыр с цветовым зарядом. Исследователи доказали, что влияние этих экзотических дыр на первичные чёрные дыры было достаточным для последующего обнаружения. Осталось найти эти следы.

Источник изображения: Kaća Bradonjić

Полвека назад физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предположил, что тёмная материя — это проявление влияния рассеянных по Вселенной первичных чёрных дыр — объектов «размером с атом и массой астероида». Они невидимы, но их гравитация искажает пространство-время и притягивает к себе обычное вещество, порождая в процессе звёзды, галактики и всё-всё-всё. Тем самым вместо поиска экзотического тёмного вещества (тёмной материи), нам следовало бы уделить всё внимание поискам первичных чёрных дыр.

Предполагается, что первичные чёрные дыры образовались через одну квинтиллионную долю секунды (10^-18) после Большого взрыва. Они коллапсировали из сверхплотного в те мгновения вещества и затем рассеялись во Вселенной. Как теперь установили физики из MIT, за доли мгновений до зарождения первичных чёрных дыр и отчасти одновременно с их формированием родились ещё более экзотические и микроскопические чёрные дыры «размером с протон и массой носорога».

Эти экзотические дыры испарились также быстро после своего рождения, но они могли воздействовать на образование первичных чёрных дыр и этот след, теоретически, можно будет обнаружить, доказали учёные. Поскольку микроскопические чёрные дыры могли образоваться лишь из кварк-глюонной плазмы, то они приобрели бы свойственный этим субэлементарным частицам экзотический цветовой заряд. Именно влияние этого заряда, который не мог появиться у обычных чёрных дыр даже первичных, поскольку в процессе «сборки» обычные чёрные дыры приобрели бы нейтральный заряд, должно было оставить память о появлении ещё более экзотических чёрных дыр сразу после Большого взрыва.

Обнаружение этих следов, существование которых физики доказали лишь теоретически, поможет доказать происхождение тёмной материи, как следствие влияния на мир первичных чёрных дыр. Фактически, учёные заменили одну экзотику другой. Осталось только определить, какая из версий соответствует реальному положению дел.

«Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических объектов сегодня поблизости нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые могут проявляться в малозаметных сигналах сегодня, — пояснил Дэвид Кайзер (David Kaiser), профессор физики Массачусетского технологического института. — В рамках идеи о том, что вся тёмная материя может быть образована чёрными дырами, это дает нам новые возможности для поиска».

Астрофизики из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета представили новую модель эволюции первичных чёрных дыр. Эти миниатюрные объекты, как считается, могли бы играть роль тёмной материи, став своего рода центрами кристаллизации вещества и инициаторами появления всего в нашей Вселенной — звёзд, галактик и прочего. Японцы в этом усомнились.

Коротковолновые события ПЧД с сильнейшей амплитудой могли влиять на реликтовое излучение. Источник изображения: ESA

Согласно распространённой в научной среде гипотезе, первичные чёрные дыры возникли на этапе после Большого взрыва в процессе быстрого (инфляционного) расширения Вселенной, когда из объекта меньше атома она расширилась на 25 порядков. В процессе этого Вселенная перестала быть однородной. Сегодня мы наблюдаем следы этой неоднородности в виде реликтового излучения — космического сверхвысокочастотного микроволнового фона. Изучение слабых отклонений в реликтовом излучении может дать подсказку о происходящих 13,8 млрд лет назад процессах на самых ранних его этапах. Именно этим занялись исследователи из Японии.

Учёные применили к наблюдаемым данным хорошо изученную квантовую теорию поля. Эта теория помогает нам разбираться с поведением элементарных частиц, что также хорошо согласуется с измерениями. Перенос квантовой теории поля на космологию показал, что первичные чёрные дыры (ПЧД) должны были оказывать измеряемое влияние на реликтовое излучение. Сами по себе они неспособны влиять на сверхвысокочастотные волны, но в достаточном количестве первичные чёрные дыры должны были бы в отдельных случаях оказать когерентное влияние на микроволновый фон — усилить амплитуду отдельных волн излучения.

Если бы первичных чёрных дыр во Вселенной было много, то отклонений в показаниях реликтового излучения было бы намного больше. Тогда, в частности, первичные чёрные дыры можно было бы рассматривать в качестве кандидатов на роль тёмной материи. Но этого не наблюдается, и квантовая теория поля хорошо объясняет, почему это так. Сейчас учёные ожидают новых данных наблюдений гравитационно-волновых обсерваторий LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, которые, в том числе, находятся в разгаре поисков следов первичных чёрных дыр. И у них есть немалые шансы получить подтверждение своей модели.

За последние семь лет с неба пропали свыше 800 звёзд. Некоторые из них исчезали за считанные часы — в краткие перерывы между наблюдениями. Учёные давно начали подозревать, что при определённых обстоятельствах звёзды могут коллапсировать сразу в чёрные дыры без превращения в сверхновую и выброса энергии. Но надёжных доказательств этому не было. Новая работа по изучению двойной системы с чёрной дырой и голубым гигантом обещает пролить свет на исчезающие звёзды.

Художественное представление системы VFTS 243. Источник изображения: ESO/L. Calçada

Астрофизики из Копенгагенского университета провели детальное наблюдение за системой VFTS 243 в Большом Магеллановом Облаке, удалённой на 160 тыс. световых лет от Земли. В системе находится одна чёрная дыра массой около 10 солнечных и голубой гигант с массой 25 солнечных масс. Чёрная дыра, как показывают наблюдения и расчёты, образовалась в результате коллапса другой массивной звезды в конце её жизни. Вот только в системе нет следов взрыва сверхновой, которая, как считается, ставит точку в жизни звезды.

«Обычно вспышки сверхновых в звёздных системах можно определить массой способов после того, как они произошли, — поясняют авторы исследования. — Но, несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, которая коллапсировала в чёрную дыру, следов взрыва нигде не обнаружено. VFTS 243 — необычная система. Орбита системы практически не изменилась с момента коллапса звезды в чёрную дыру».

В опубликованной в журнале Physical Review Letters работе исследователи пишут, что чёрная дыра в системе VFTS 243, вероятно, образовалась мгновенно, причём выброс энергии в основном пришёлся на нейтрино. Это означает, что стадией сверхновой можно было пренебречь.

«Если бы кто-то стоял и смотрел на обычную переживающую полный коллапс звезду, это было бы похоже на то, что в один момент звезда внезапно гаснет и исчезает с небес, — говоря авторы работы. — Коллапс настолько полный, что взрыва не происходит, ничто не улетучивается, и никто не увидит яркой сверхновой в ночном небе».

Проделанная работа не ставит точку в деле о неудавшихся сверхновых. Но она заставляет по-новому взглянуть на аналогичные случаи, благо таких может быть достаточно много для уточнения наших знаний о финальных этапах эволюции звёзд.

Джеты чёрных дыр — субсветовые выбросы частиц и вспышки сфокусированного гамма и рентгеновского излучения — смертельно опасны на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. И если этого мало, то учёные выяснили, что джеты оказались непредсказуемыми. Наблюдение за 16 чёрными дырами в центрах галактик показало, что направление смертоносного луча колоссальной мощности может сравнительно быстро измениться на угол до 90 °.

Вращение чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Данные получены международной группой астрономов с использованием космической рентгеновской обсерватории NASA «Чандра» (Chandra) и радиоинтерферометра Very Long Baseline Array (VLBA). Учёные искали следы брешей в газопылевых облаках вокруг или вблизи чёрных дыр — это были следы ударов предыдущих джетов, а также активные джеты. Тем самым удалось проследить, как менялись направления высокоэнергетических струй в течение времени.

«Мы обнаружили, что около трети лучей теперь направлены в совершенно иных направлениях, чем раньше, — рассказал астрофизик Франческо Убертози (Francesco Ubertosi) из Болонского университета в Италии. — Эти чёрные дыры "Звезды смерти" поворачиваются и указывают на новые цели, подобно вымышленной космической станции из "Звёздных войн"».

Около трети изученных джетов (30–38 %), по-видимому, значительно изменили направление (более чем на 45 °) за период в 10 млн лет или меньше. Похоже, что это относительно обычное явление для сверхмассивных чёрных дыр. В ряде случаев наблюдались изменения направления почти на 90 °. Самое короткое время, за которое происходила перестройка на другую цель, составило всего около 1 млн лет. В космическом масштабе это довольно быстрая смена направления.

«Учитывая, что возраст этих чёрных дыр, вероятно, превышает 10 млрд лет, мы считаем, что значительное изменение направления в течение нескольких миллионов лет является быстрым, — заявил астрофизик Геррит Шелленбергер (Gerrit Schellenberger) из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) в США. — Изменение направления лучей гигантской чёрной дыры примерно за миллион лет аналогично изменению направления движения нового линкора в течение нескольких минут».

Исследование истории джетов чёрной дыры в рентгеновском и радиодиапазоне. Источник изображения: NASA/CXC/Univ. of Bologna

Поскольку эти струи затрудняют слияние газа и формирование звезд, любые изменения в их ориентации имеют важные последствия для состава окружающих их галактик. Очевидно, последствия будут также для биологической жизни, если она попадёт под такой «прожектор». Остаётся только радоваться, что подобные объекты очень и очень далеко от Солнечной системы. Впрочем, нас могут подстерегать другие опасности — вспышки сверхновых, нейтронные звёзды или килоновы, которые тоже выбрасывают смертоносные джеты.

Похоже, учёные разработали новые методы оценки параметров сверхмассивных чёрных дыр. У науки не так много возможностей, чтобы измерить те или иные характеристики этих таинственных объектов, и любой новый метод — это находка, ценность которой трудно переоценить. Оказалось, что агрессия чёрных дыр в отношении разрываемых ими звёзд в процессе поглощения вещества позволяет вычислить скорость их вращения.

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

Звезда может подлететь к чёрной дыре с любой точки пространства. Такие события наблюдаются достаточно часто, что отражается в рентгеновских вспышках, когда вещество звезды падает на чёрную дыру. Точнее, на её диск аккреции. Как подозревают учёные, взаимодействие останков звезды с диском аккреции дестабилизирует последний. Это как ударить по вращающемуся волчку — его ось вращения отклонится от вертикального положения и начнёт описывать в пространстве окружность (возникнет прецессия).

Группа учёных из Массачусетского технологического института справедливо предположила, что амплитуда колебания (прецессия) диска аккреции связана со скоростью вращения чёрной дыры. Если можно будет вычислить прецессию, то, зная массу объекта, можно узнать скорость его вращения. Но измерения необходимо проводить длительное время и с высочайшей точностью. Сегодня это ресурсоёмкие исследования. Но в будущем ожидается запуск ряда широкоугольных телескопов нового поколения, которые будут легко фиксировать множественные переходные процессы.

Благодаря наблюдению за квазаром на удалении около одного миллиарда световых лет от нас (по зафиксированной в 2020 году рентгеновской вспышке AT2020ocn), учёные смогли вычислить скорость вращения сверхмассивной чёрной дыры в центре этого активного ядра галактики. Она оказалась примерно на уровне 25 % от скорости света. Само по себе это измерение мало что даёт науке, но многочисленные аналогичные измерения для всех наблюдаемых нами во Вселенной чёрных дыр расскажут об эволюции этих объектов ещё больше, чем мы сегодня знаем.

В опубликованной в четверг работе в журнале The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society группа астрономов сообщила, что обнаружила древнейшее за всё время наблюдений столкновение сверхмассивных чёрных дыр. Слияние этих колоссальных объектов произошло через 740 млн лет после Большого взрыва. Это стало доказательством, что чёрные дыры с самого начала играли значительную роль в эволюции галактик, и объяснило их стремительный рост в древности.

Квазар ZS7. Источник изображения: NASA

С появлением невероятного по чувствительности в инфракрасном диапазоне космического телескопа им. Джеймса Уэбба астрономам стали открываться явления в ранней Вселенной, куда предыдущее приборы не могли заглянуть. Это период, когда Вселенная ещё не перешагнула рубеж первого миллиарда существования из нынешних примерно 13,8 млрд лет.

Одной из загадок детства Вселенной стало открытие множества сверхмассивных чёрных дыр до первого миллиарда её развития. Согласно нашим теориям, эти объекты никак не успевали в то время развиться до детектируемых масс от нескольких десятков млн солнечных масс до млрд солнечных масс. На эти процессы должны уходить миллиарды лет, а не сотни миллионов, как показывают данные «Уэбба». Новое наблюдение как раз объясняет, каким образом чёрные дыры могли быстро набирать массу в древности, и это слияния, которых в те времена не должно было бы быть так много, чтобы они оказали влияние на всю последующую эволюцию галактики и самой Вселенной. Похоже, земная наука ошибалась на этот счёт.

«Наши результаты показывают, что слияние является важным путём, по которому чёрные дыры могут быстро расти даже на заре космоса, — сказала в заявлении руководитель исследования и учёный из Кембриджского университета Ханна Юблер (Hannah Übler). — Вместе с другими открытиями «Уэбба» активных массивных чёрных дыр в далёкой Вселенной наши результаты также показывают, что массивные чёрные дыры формировали эволюцию галактик с самого начала».

По факту исследователи засекли признаки активности древнего квазара — активного центра галактики ZS7, в центре которого живёт и быстро питается сверхмассивная чёрная дыра. Спектральной чувствительности «Уэбба» хватило, чтобы увидеть в излучении объекта две составляющие. Обе они оказались сверхмассивными чёрными дырами на грани слияния. Об этом подсказало интенсивное излучение от разогретого газа в аккреционном диске чёрных дыр, а также анализ плотности ионизированного газа.

Масса одного из объектов была определена с достаточной точностью — она составила 50 млн солнечных. Масса второй чёрной дыры оценивается как примерно такая же, но точно учёные сказать не смогли — этому помешало плотное скопление газа на пути излучения.

«Звёздная масса изученной нами системы [галактики ZS7] аналогична массе нашего соседа, Большого Магелланова облака, — поясняют учёные. — Мы можем попытаться представить, как могло бы повлиять на эволюцию сливающихся галактик, если бы в каждой галактике была одна сверхмассивная чёрная дыра, такая же большая, как у нас в Млечном Пути». Тем самым астрономы намекают, что наши модели эволюции галактик явно не учитывают множества аспектов их поведения на заре появления и это надо исследовать.

Кстати, с июня этого года «Уэбб» будет регулярно предоставляться для наблюдений сверхмассивных чёрных дыр, так что новых открытий будет не много, а очень много. Впрочем, больше информации о столкновениях чёрных дыр предоставят учёным гравитационно-волновые обсерватории, первые из которых уже работают. Такие обсерватории следующего поколения и, особенно, космического базирования смогут фиксировать столкновения чёрных дыр далеко и обильно. Жаль только, что заработают эти инструменты не раньше середины следующего десятилетия.

Сверхмассивные чёрные дыры подобные той, что находится в центре нашей галактики, демонстрируют завидное постоянство тихой активности. Их излучение стабильно и умеренно, как будто вещество на них падает непрерывным и необильным ручейком. В относительном хаосе Вселенной это выглядит необычно, и учёные взялись разобраться с «пищевыми» привычками этих интереснейших объектов. Найти ответ помогли архивы телескопа «Спитцер».

Слева пыль, газ и звёзды, справа только пыль. Источник изображения: NASA

Данный случай стал наглядным примером того, как архивные данные помогают делать открытия, которые учёные проглядели в момент первичного сбора и изучения информации. К настоящему дню компьютерное моделирование развилось достаточно сильно, если сравнивать с инструментами 20-летней давности. С помощью уточнённых моделей и на более мощном оборудовании группа учёных воссоздала механизм тихого питания сверхмассивных чёрных дыр, когда их активность, выраженная в излучении аккреционного диска, оставалась равномерной без резких перепадов яркости.

Синим пунктиром показаны два рукава пыли, питающие чёрную дыру (синий кружок — это её диск аккреции)

Для подтверждения модели исследователи воспользовались тысячами снимков галактики Андромеда, сделанными инфракрасной космической обсерваторией «Спитцер», а также данными «Хаббла» в видимом диапазоне. Изучая свет на разных длинах волн, учёные смогли отделить пыль и газ от звёзд и областей звездообразования. Детальное изучение потоков пыли в центре Андромеды выявило два отчётливых рукава, направляющихся к сверхмассивной чёрной дыре в центре этой галактики. Данные наблюдений точно уложились в те пределы, которые установило моделирование, а это означает верность предложенной теории тихого питания сверхмассивных чёрных дыр. Вещество падает на аккреционный диск чёрной дыры равномерно, а не сгустками, питая её множественными потоками пыли и газа.

Используя новейшие данные и мощности суперкомпьютера, специалисты NASA создали видео падения на чёрную дыру и облёт вокруг горизонта событий. Это был бы билет в один конец, поэтому реальный видеоряд подобного манёвра человечество вряд ли когда-либо увидит. Моделирование NASA даёт представление о невероятных явлениях самым доступным образом — через визуализацию.

Пересекая горизонт событий. Художественное представление. Источник изображения: NASA

Картинка транслируется виртуальной камерой, падающей за горизонт событий со всеми возможными световизуальными эффектами для наблюдателя. Для стороннего зрителя приближающийся к границе горизонта событий объект превратился бы в «спагетти» — гравитация растянула бы его вместе с пространством-временем. Для взгляда со стороны в таком виде объект находился бы бесконечно долго, но для самого объекта жизнь и существование прекратились бы в считанные секунды — его размело бы на элементарные частицы и понесло бы к центру чёрной дыры. Симуляция для виртуальной камеры позволяет насладиться визуальными эффектами после пересечения горизонта событий, пока камера не прекращает существования.

Второй ролик показывает облёт вокруг горизонта событий на безопасном отдалении и как меняется вид неба и аккреционного диска по мере облёта чёрной дыры на околосветовой скорости в области искажения пространства времени. За пару облётов управляющий кораблём астронавт вернулся бы к своим товарищам на 36 минут моложе их, ведь при движении на околосветовых скоростях время замедляется. Они бы постарели, а он — нет.

Симуляция NASA создана для сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Её горизонт событий простирается на 25 млн км. Видео начинается на расстоянии 640 млн км от чёрной дыры и показывает путешествие, которое в реальном времени заняло бы около трёх часов. В процессе симуляции суперкомпьютер NASA Discover работал пять суток и создал свыше 10 Тбайт данных.

Это отличный материал для демонстрации обычным людям процессов, которые не укладываются в голове. Кристофер Нолан в фильме «Интерстеллар» показал хороший пример, пригласив для визуализации эффектов с чёрной дырой учёного Кипа Торна, получившего Нобелевскую премию с двумя другими коллегами за открытие гравитационных волн. В этом плане научно-фантастический фильм 2014 года предвосхитил усилия NASA по визуализации полётов рядом с чёрной дырой, но видеоролик NASA, безусловно, максимально точно передаёт те визуальные впечатления, которые могут сопровождать подобный вояж.