Черные дыры в центре Млечного Пути (родной галактики Земли) и Андромеды (одного из наших ближайших галактических соседей) являются одними из самых тихих пожирателей во Вселенной. Тот небольшой свет, который они испускают, неявно меняется по яркости, что говорит о том, что они потребляют небольшой, но постоянный поток материи, а не большие скопления. Потоки приближаются к черной дыре постепенно и по спирали, подобно тому, как вода закручивается в слив.
В Млечном Пути есть большая новая черная дыра, и она скрывается недалеко от Земли. Этот спящий гигант был обнаружен с помощью европейского космического телескопа Gaia, который отслеживает движение миллиардов звезд в нашей галактике. Черная дыра звездной массы, обозначенная как Gaia-BH3, в 33 раза массивнее нашего Солнца. Предыдущая самая массивная черная дыра этого класса, обнаруженная в Млечном Пути, была черной дырой в рентгеновской двойной системе в созвездии Лебедя (Cyg X-1), масса которой оценивается примерно в 20 раз больше массы Солнца. Средняя черная дыра звездной массы в Млечном Пути примерно в 10 раз массивнее Солнца.
Gaia-BH3 находится всего в 2000 световых годах от Земли, что делает ее второй ближайшей к нашей планете черной дырой, когда-либо обнаруженной. Ближайшая к Земле черная дыра — Gaia-BH1 (также открытая Gaia), которая находится на расстоянии 1560 световых лет. Gaia-BH1 имеет массу примерно в 9,6 раза больше массы Солнца, что делает ее значительно меньше этой недавно обнаруженной черной дыры, сообщает журнал Astronomy & Astrophysics.
Три черные дыры звездной массы в нашей галактике: (слева) Gaia BH1, (в центре) Cygnus X-1 и (справа) Gaia BH3, массы которых в 10, 21 и 33 раза больше массы Солнца соответственно. Gaia BH3 — самая массивная черная дыра звездной массы, обнаруженная на сегодняшний день в Млечном Пути. ESO/M. Kornmesser
Конечно, Gaia-BH3 — это мелочь по сравнению со сверхмассивной черной дырой, которая доминирует в сердце Млечного Пути, Стрелец А* (Sgr A*), масса которой в 4,2 миллиона раз больше массы Солнца. Сверхмассивные черные дыры, такие как Sgr A*, не создаются в результате гибели массивных звезд, а скорее в результате слияния все более крупных черных дыр.
Все черные дыры отмечены внешней границей, называемой горизонтом событий, в которой скорость выхода черной дыры превышает скорость света. Это означает, что горизонт событий — это односторонняя поверхность, улавливающая свет, за пределы которой никакая информация не может выйти.
Область вокруг черной дыры Gaia-BH3. ESO/Digitized Sky Survey
В результате черные дыры не излучают и не отражают свет, то есть их можно «увидеть» только тогда, когда они окружены материалом, которым они постепенно питаются. Иногда это означает черную дыру в двойной системе, которая вытягивает материал из звезды-компаньона, что образует вокруг нее диск из газа и пыли.
Огромное гравитационное влияние черных дыр порождает интенсивные приливные силы в этой окружающей материи, заставляя ее ярко светиться материалом, который разрушается и потребляется, также испуская рентгеновские лучи. Кроме того, материал, который черная дыра не съедает, может быть направлен к ее полюсам и выброшен в виде струй со скоростью, близкой к скорости света, которые сопровождаются излучением света.
Все эти световые излучения могут позволить астрономам обнаружить черные дыры. Вопрос в том, как можно обнаружить «спящие» черные дыры, которые не питаются газом и пылью вокруг них? Например, что, если у черной дыры звездной массы есть звезда-компаньон, но они слишком далеко друг от друга, чтобы черная дыра могла выхватить звездную материю у своего двойного партнера?
Схема, показывающая расположение трех черных дыр, обнаруженных Gaia. ESA/Gaia Collaboration
В таких случаях черная дыра и ее звезда-компаньон вращаются вокруг точки, которая представляет собой центр масс системы. Это также имеет место, когда вокруг звезды вращается легкий компаньон, например, другая звезда или даже планета.
Вращение центра масс приводит к колебанию в движении звезды, которое видят астрономы. Поскольку Gaia имеет большой опыт в точном измерении движения звезд, это идеальный инструмент для наблюдения за этим колебанием.
Специальная группа по изучению черных дыр Gaia приступила к поиску странных колебаний, которые нельзя было бы объяснить присутствием другой звезды или планеты и которые указывали бы на наличие более тяжелого компаньона, возможно, черной дыры.
Направляясь на старую гигантскую звезду в созвездии Орла, расположенную в 1926 световых годах от Земли, команда обнаружила колебание на пути звезды. Это колебание предполагает, что звезда заблокирована в орбитальном движении с бездействующей черной дырой исключительно большой массы. Они разделены расстоянием, которое варьируется от расстояния между Солнцем и Нептуном в самом широком месте и нашей звездой и Юпитером в самом близком. Благодаря чувствительности Gaia , целевая группа по черным дырам также смогла наложить ограничения на массу Gaia-BH3, определив, что она обладает 33 солнечными массами.
Художественное представление системы с самой массивной звездной черной дырой в нашей галактике. ESO/L. Calçada
«Gaia-BH3 — это самая первая черная дыра, массу которой мы смогли измерить так точно», — сказал Цеви Мазех, ученый и участник коллаборации Gaia в Тель-Авивском университете. «В 30 раз больше массы нашего Солнца, масса объекта типична для оценок, которые мы имеем для масс очень далеких черных дыр, наблюдаемых в экспериментах по гравитационным волнам. Измерения Gaia предоставляют первое неоспоримое доказательство того, что черные дыры [звездной массы] такой большой массы действительно существуют».
Однако система Gaia-BH3 наверняка будет представлять большой интерес для ученых не только из-за своей близости к Земле и массы ее черной дыры.
Звезда в этой системе является субгигантом, которая примерно в пять раз больше Солнца и в 15 раз ярче, хотя она холоднее и менее плотная, чем наша звезда. Звезда-компаньон Gaia-BH3 в основном состоит из водорода и гелия, двух самых легких элементов во Вселенной, и лишена более тяжелых элементов, которые астрономы (несколько сбивчиво) называют «металлами».
Тот факт, что эта звезда «бедна металлами», предполагает, что звезда, которая коллапсировала и умерла, чтобы создать Gaia-BH3, также не имела более тяжелых элементов. Ожидается, что звезды с низким содержанием металлов будут терять больше массы, чем их более богатые металлами аналоги в течение своей жизни, поэтому ученые задаются вопросом, могут ли они поддерживать достаточную массу для рождения черных дыр. Gaia-BH3 представляет собой первый намек на то, что звезды с низким содержанием металлов действительно могут это делать.
«Ожидается, что следующий выпуск данных Gaia будет содержать гораздо больше информации, которая должна помочь нам «увидеть» больше «матрицы» и понять, как образуются спящие черные дыры звезд», — заключил Сиброк.
Черные дыры в центре Млечного Пути (родной галактики Земли) и Андромеды (одного из наших ближайших галактических соседей) являются одними из самых тихих пожирателей во Вселенной. Тот небольшой свет, который они испускают, неявно меняется по яркости, что говорит о том, что они потребляют небольшой, но постоянный поток материи, а не большие скопления. Потоки приближаются к черной дыре постепенно и по спирали, подобно тому, как вода закручивается в слив.
Используя компьютерные модели, авторы смоделировали, как газ и пыль вблизи сверхмассивной черной дыры Андромеды могут вести себя с течением времени. Моделирование показало, что небольшой диск горячего газа может образоваться вблизи сверхмассивной черной дыры и непрерывно ее подпитывать. Диск может пополняться и поддерживаться многочисленными потоками газа и пыли.
Однако исследователи также обнаружили, что эти потоки должны оставаться в пределах определенного размера и скорости потока; в противном случае материя будет падать в черную дыру нерегулярными сгустками, вызывая еще большие световые колебания.
Когда авторы сравнили свои выводы с данными Spitzer и космического телескопа Hubble NASA, они обнаружили спирали пыли, ранее идентифицированные Spitzer, которые соответствуют этим ограничениям. Из этого авторы сделали вывод, что спирали питают сверхмассивную черную дыру Андромеды.
Этот снимок центра галактики Андромеда крупным планом, сделанный бывшим космическим телескопом НАСА «Спитцер», отмечен синими пунктирными линиями, подчеркивающими путь двух потоков пыли, текущих к сверхмассивной черной дыре в центре галактики (обозначенной фиолетовой точкой). NASA/JPL-Caltech
«Это прекрасный пример того, как ученые пересматривают архивные данные, чтобы узнать больше о динамике галактик, сравнивая их с последними компьютерными симуляциями», — сказала Альмудена Прието, астрофизик из Института астрофизики Канарских островов и Мюнхенской университетской обсерватории, а также соавтор исследования, опубликованного в этом году. «У нас есть данные 20-летней давности, которые рассказывают нам о вещах, которые мы не распознали, когда впервые их собрали».
Запущенный в 2003 году и управляемый Лабораторией реактивного движения НАСА, Spitzer изучал вселенную в инфракрасном свете, невидимом для человеческого глаза. Различные длины волн выявляют различные особенности Андромеды, включая более горячие источники света, такие как звезды, и более холодные источники, такие как пыль.
Разделяя эти длины волн и глядя только на пыль, астрономы могут увидеть «скелет» галактики — места, где газ сгустился и остыл, иногда образуя пыль, создавая условия для образования звезд. Этот взгляд на Андромеду раскрыл несколько сюрпризов. Например, хотя это спиральная галактика, как Млечный Путь, в Андромеде доминирует большое пылевое кольцо, а не отдельные рукава, окружающие ее центр. Изображения также показали вторичное отверстие в одной части кольца, через которое прошла карликовая галактика.
Близость Андромеды к Млечному Пути означает, что с Земли она выглядит больше других галактик: если смотреть невооруженным глазом, Андромеда будет примерно в шесть раз шире Луны (около 3 градусов). Даже имея поле зрения шире, чем у Хаббла, Спитцеру пришлось сделать 11 000 снимков, чтобы создать полную картину Андромеды.
JPL управляла миссией космического телескопа Spitzer для Управления научных миссий NASA в Вашингтоне до тех пор, пока миссия не была закрыта в январе 2020 года. Научные операции проводились в Научном центре Spitzer в Калтехе. Операции с космическими аппаратами базировались в Lockheed Martin Space в Литтлтоне, штат Колорадо. Данные архивируются в Инфракрасном научном архиве, которым управляет IPAC в Калтехе. Caltech управляет JPL для NASA.
Новое исследование редкого и недолговечного типа галактик показало, что некоторые объекты таят в себе дремлющие сверхмассивные черные дыры, которые на короткое время пробуждаются, чтобы разорвать на части массивную звезду и поглотить ее останки, превратив их в гигантский космический завтрак.
«Компактные симметричные объекты» или CSO — это активные галактики, из которых вырываются две струи со скоростью, близкой к скорости света. Эти струи характерны для активных галактических ядер (AGN), в которых в центре находятся сверхмассивные черные дыры, питающиеся окружающим газом и пылью, — но струи CSO отличаются, сообщает The Astrophysical Journal.
На этом радиоизображении показаны два джета, выбрасываемых из центра Лебедя А, галактики, расположенной недалеко от нашей. В новой статье сообщается об обнаружении похожего объекта в гораздо более далекой, древней галактике. У этой галактики есть яркий, релятивистский джет, исходящий из ее центральной сверхмассивной черной дыры, направленной на Землю, что делает ее блазаром. NRAO
В то время как струи активных ядер галактик могут простираться на 230 000 световых лет в обоих направлениях, струи CSO невелики и простираются всего на 1500 световых лет или около того.
Ученые ранее предполагали, что струи CSO короткие, потому что они недавно сформированы или молоды. Теперь группа под руководством ученых Калифорнийского технологического института (Caltech) определила, что эти струи просто имеют короткую продолжительность жизни.
«Эти CSO не молоды. Вы не назовете 12-летнюю собаку молодой, даже если она прожила меньше, чем взрослый человек», — сказал в своем заявлении руководитель исследовательской группы Энтони Ридхед, почетный профессор астрономии в Калифорнийском технологическом институте. «Эти объекты представляют собой отдельный вид, который живет и умирает в течение тысяч лет, а не миллионов лет, как это обычно бывает в галактиках с более крупными джетами».
Изображение двух сверхмассивных черных дыр, полученное с помощью VLBA, одна из которых — компактный симметричный объект (CSO) J0405+3803a, поглощающий звезду. HL Maness/Grinnell College
Чтобы разгадать тайну CSO и раскрыть их истинную природу, Ридхед и его коллеги потратили два года на изучение 3000 кандидатов на CSO в предыдущей литературе и астрономических данных, полученных с помощью сверхдлинной базовой решетки (VLBA) и других радиотелескопов высокого разрешения.
«Наблюдения VLBA являются самыми подробными в астрономии, предоставляя изображения с детализацией, эквивалентной измерению ширины человеческого волоса на расстоянии 100 миль [160 километров]», — сказал Ридхед.
Команда подтвердила, что 64 из этих кандидатов являются CSO, а также обнаружила еще 15 таких редких галактик. Анализируя эти CSO, команда пришла к выводу, что эти редкие типы галактик испускают струи всего 5000 лет или меньше, а затем исчезают.
Художественное представление о разрушении звезды (на переднем плане) при ее прохождении вблизи сверхмассивной черной дыры. ESO/M. Kornmesser
«Струи CSO — очень энергичные струи, но они, похоже, отключаются», — сказал член команды Викрам Рави, доцент Калтеха. «Струи перестают вытекать из источника».
Команда выявила подозреваемого в выбросах этих струй: они предполагают, что в основе CSO лежат сверхмассивные черные дыры, разрывающие на части звезды, которые подходят к ним слишком близко в так называемых «событиях приливного разрушения» (TDE).
Когда звезды приближаются слишком близко к черной дыре, ее огромная гравитация создает мощные приливные силы внутри звездного тела. Эти приливные силы растягивают звезду по вертикали, одновременно сжимая ее по горизонтали, этот процесс называется «спагетификация».
Сверхмассивная черная дыра разрывает и пожирает звезду. Вставка: Изображение, полученное с помощью Very Long Baseline Array, показывает две сверхмассивные черные дыры в центре галактик, причем та, что справа, только что перекусила звездой. ESA/C. Carreau. Вставка: HL MANESS/GRINNELL COLLEGE
Эта звездная лапша оборачивается, образуя диск материи, который постепенно поедается сверхмассивной черной дырой. Но черные дыры — грязные едоки, и часть этой звездной материи направляется к полюсам этих космических монстров. Оттуда часть материала выбрасывается в виде струй. Этот процесс TDE сопровождается невероятно яркими выбросами света, которые сообщают астрономам об этих сверхмассивных черных дырах, питающих их.
«Мы думаем, что одна звезда разрывается на части, а затем вся эта энергия направляется в струи вдоль оси, вокруг которой вращается черная дыра», — объяснил Ридхед. «Гигантская черная дыра сначала невидима для нас, а затем, когда она поглощает звезду, бац! У черной дыры есть топливо, и мы можем его видеть».
Однако не любая звезда может быть той грязной космической едой, которая пробуждает черную дыру как CSO. Команда считает, что CSO создается только тогда, когда действительно массивная звезда разрывается сверхмассивной черной дырой в TDE.
«Те TDE, которые мы видели ранее, длились всего несколько лет», — объяснил Рави. «Мы думаем, что замечательные TDE, питающие CSO, живут гораздо дольше, потому что разрушенные звезды очень большие по размеру, очень массивные или и то, и другое».
Ридхед и его коллеги также смогли создать «космический семейный альбом», показывающий, как CSO и их струи развиваются с течением времени. У более молодых CSO струи короче и находятся ближе к центральной сверхмассивной черной дыре, в то время как у более старых CSO струи длиннее и простираются дальше от места TDE.
Команда определила, что, хотя подавляющее большинство CSO вымрут, 1% из них продолжат длительные события с протяженными джетами, подобными тем, что наблюдаются у Лебедя А — далекой сверхмассивной черной дыры, джеты которой направлены на Землю (класс объектов, называемых блазарами).
Исследователи предполагают, что в 1 из 100 долгоживущих событий центральная черная дыра подпитывается дополнительным газом и пылью, которые появляются в результате слияния ее родительской галактики с другой.
Для Ридхеда эти результаты подтверждают теорию, которую он впервые выдвинул в 1990-х годах, когда было обнаружено всего три CSO. Эта идея осталась практически непризнанной широким научным сообществом, когда была впервые предложена, но должна получить поддержку с этими новыми доказательствами.
«Эта гипотеза была почти забыта, потому что прошли годы, прежде чем начали накапливаться данные наблюдений в пользу TDE», — сказал Ридхед. «Эти объекты действительно представляют собой отдельную популяцию со своим собственным происхождением, и теперь нам предстоит узнать больше о них и о том, как они появились».
«Возможность изучать эти объекты в масштабах времени от нескольких лет до десятилетий, а не миллионов лет, открыла дверь в совершенно новую лабораторию для изучения сверхмассивных черных дыр и множества неожиданных и непредсказуемых сюрпризов, которые они таят».