Группа астрономов изучила 16 сверхмассивных черных дыр, которые испускают мощные лучи в космос, чтобы отследить, куда эти лучи, или струи, направлены сейчас и куда они были направлены в прошлом. Используя рентгеновскую обсерваторию Chandra NASA и Очень большую базовую решетку (VLBA) Национальной радиоастрономической обсерватории США (NRAO) Национального научного фонда (NSF), они обнаружили, что некоторые лучи изменили направление на большую величину.
Эти два изображения Chandra показывают горячий газ в центре скопления галактик Abell 478 (слева) и группы галактик NGC 5044 (справа). В центре каждого изображения находится одна из шестнадцати черных дыр, испускающих лучи наружу. Каждая черная дыра находится в центре галактики, погруженной в горячий газ.
На изображениях ниже показаны метки и радиоизображения. Эллипсы показывают пару полостей в горячем газе для Abell 478 (слева), а эллипсы показывают две пары полостей для NGC 5044 (справа). Эти полости были вырезаны лучами миллионы лет назад, указывая направления лучей в прошлом. X показывает местоположение каждой сверхмассивной черной дыры.
Abell 478 и NGC 5044 (помечены). Рентген: NASA/CXC/Univ of Bologna/F. Ubertosi; Вставки Радио: NSF/NRAO/VLBA; Широкоугольное изображение: Оптическое/ИК: Univ. of Hawaii/Pan-STARRS; Обработка изображений: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Изображения VLBA показаны в виде вставок, которые показывают, куда в данный момент направлены лучи, если смотреть с Земли. Оба радиоизображения намного меньше рентгеновских изображений. Для Abell 478 радиоизображение составляет около 3% ширины изображения Chandra, а для NGC 5044 радиоизображение составляет около 4% ширины изображения Chandra.
Сравнение изображений Chandra и VLBA показывает, что лучи для Abell 478 изменили направление примерно на 35 градусов, а лучи для NGC 5044 изменили направление примерно на 70 градусов.
По всей выборке исследователи обнаружили, что около трети из 16 галактик имеют лучи, которые указывают в совершенно других направлениях, чем они были раньше. Некоторые из них изменили направление почти на 90 градусов в некоторых случаях, и в масштабах времени от одного миллиона лет до нескольких десятков миллионов лет. Учитывая, что возраст черных дыр составляет порядка 10 миллиардов лет, это представляет собой относительно быстрое изменение для этих галактик.
Широкоугольные изображения Abell 478 [слева] и NGC 5044 [справа]. Рентгеновские лучи: NASA/CXC/Университет Болоньи/Ф. Убертози и др.; Оптические/ИК-лучи: Гавайский университет/Pan-STARRS; ИК-лучи: NASA/ESA/JPL/CalTech/Космический телескоп Гершеля
Черные дыры генерируют лучи, когда материал падает на них через вращающийся диск материи, и часть его затем перенаправляется наружу. Направление лучей от каждой из этих гигантских черных дыр, которые, вероятно, вращаются, как полагают, совпадает с осью вращения черной дыры, что означает, что лучи направлены вдоль линии, соединяющей полюса.
Предполагается, что эти лучи перпендикулярны диску. Если материал падает на черные дыры под другим углом, не параллельным диску, это может повлиять на направление осей вращения черной дыры, изменив направление лучей.
Ученые полагают, что лучи от черных дыр и пустот, которые они создают, играют важную роль в формировании звезд в их галактиках. Лучи перекачивают энергию в горячий газ внутри и вокруг галактики, не давая ему остыть достаточно для формирования огромного количества новых звезд. Если лучи значительно изменят направление, они могут подавить звездообразование на гораздо больших участках галактики.
Статья, описывающая эти результаты, была опубликована в выпуске The Astrophysical Journal от 20 января 2024 года. Авторы — Франческо Убертози (Болонский университет в Италии), Герритт Шелленбергер (Центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт), Эван О’Салливан (CfA), Ян Вртилек (CfA), Симона Джачинтуччи (Военно-морская исследовательская лаборатория), Лоренс Дэвид (CfA), Уильям Форман (CfA), Мириам Джитти (Болонский университет), Тициана Вентури (Национальный институт астрофизики — Институт радиоастрономии в Италии), Кристин Джонс (CfA) и Фабрицио Бригенти (Болонский университет).
Центр космических полетов имени Маршалла НАСА управляет программой Chandra. Центр рентгеновского излучения Chandra Смитсоновской астрофизической обсерватории управляет наукой из Кембриджа, Массачусетс, и управлением полетами из Берлингтона, Массачусетс.
Новые теоретические исследования показывают, что невозможно сформировать черную дыру, используя только энергию частиц света, что подрывает общую теорию относительности Эйнштейна. Новое исследование предполагает, что экстремальные объекты, известные как «kugelblitze» — черные дыры, образованные исключительно из света — невозможны в нашей Вселенной, что бросает вызов общей теории относительности Эйнштейна. Открытие накладывает существенные ограничения на космологические модели и демонстрирует, как квантовая механика и общая теория относительности могут быть согласованы для решения сложных научных вопросов.
Черные дыры — массивные объекты с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может вырваться из их хватки — являются одними из самых интригующих и странных объектов во Вселенной. Обычно они образуются в результате коллапса массивных звезд в конце их жизненного цикла, когда давление термоядерных реакций в их ядрах больше не может противостоять силе гравитации.
Однако существуют и более экзотические гипотезы относительно образования черных дыр. Одна из таких теорий предполагает создание «kugelblitz», что по-немецки означает «шаровая молния». (Множественное число — «kugelblitze»).
«Кугельблиц — это гипотетическая черная дыра, которая вместо того, чтобы образоваться в результате коллапса «обычной материи» (основными составляющими которой являются протоны, нейтроны и электроны), формируется путем концентрации огромного количества электромагнитного излучения, такого как свет», — рассказал соавтор исследования Хосе Поло-Гомес, физик из Университета Ватерлоо и Института теоретической физики Периметр в Канаде.
«Хотя свет не имеет массы, он переносит энергию», — сказал Поло-Гомес, добавив, что в общей теории относительности Эйнштейна энергия отвечает за создание искривлений в пространстве-времени, которые приводят к гравитационному притяжению. «Из-за этого в принципе возможно, что свет образует черные дыры — если мы сконцентрируем его достаточно в достаточно малом объеме», — сказал он.
Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что энергия, а не масса, ответственна за искривление пространства-времени, которое приводит к гравитационному притяжению. Согласно этой теории, черные дыры должны быть способны образовываться из одной только энергии света. NASA/JPL-Caltech
Эти принципы справедливы в рамках классической общей теории относительности, которая не учитывает квантовые явления. Чтобы изучить потенциальное влияние квантовых эффектов на формирование кугельблица, Поло-Гомес и его коллеги изучили влияние эффекта Швингера.
В своем исследовании команда рассчитала скорость, с которой пары электронов и позитронов, созданные в электромагнитном поле, будут истощать энергию. Если эта скорость превышает скорость пополнения энергии электромагнитного поля в данной области, кугельблитц не может образоваться.
Команда обнаружила, что даже в самых экстремальных условиях чистый свет никогда не сможет достичь необходимого энергетического порога для образования черной дыры. Это открытие имеет глубокие теоретические последствия, существенно ограничивая ранее рассмотренные астрофизические и космологические модели, которые предполагают существование кугельблитце. Оно также разбивает любые надежды на экспериментальное изучение черных дыр в лабораторных условиях путем их создания посредством электромагнитного излучения.
Тем не менее, положительный результат исследования показывает, что квантовые эффекты можно эффективно интегрировать в проблемы, связанные с гравитацией, тем самым предоставляя четкие ответы на актуальные научные вопросы.
«С теоретической точки зрения эта работа демонстрирует, как квантовые эффекты могут играть важную роль в понимании механизмов формирования и внешнего вида астрофизических объектов», — сказал Поло-Гомес.
Вдохновленные своими открытиями, исследователи планируют продолжить изучение влияния квантовых эффектов на различные гравитационные явления, имеющие как практическое, так и фундаментальное значение.
«Некоторые из нас очень заинтересованы в продолжении изучения гравитационных свойств квантовой материи, особенно в сценариях, где эта квантовая материя нарушает традиционные энергетические условия», — сказал Эдуардо Мартин-Мартинес , также из Университета Ватерлоо и Института Периметра. «Этот тип квантовой материи может, в принципе, порождать экзотические пространства-времена, приводя к таким эффектам, как отталкивающая гравитация, или создавать экзотические решения, такие как варп-двигатель Алькубьерре или проходимые червоточины».
В результате мощного выброса было выброшено в 100 000 триллионов раз больше энергии, чем Солнце выделит за всю свою жизнь. Астрономы обнаружили одно из самых мощных извержений черной дыры, когда-либо наблюдавшихся. Этот колоссальный взрыв, произошедший почти 4 миллиарда лет назад, сформировал узор из звезд в скоплениях, напоминающих драгоценности.
Звездное ожерелье украшает массивное скопление, состоящее из сотен галактик, называемое SDSS J1531; это тело находится примерно в 3,8 миллиардах световых лет от Земли. Скопление галактик также содержит огромный резервуар горячего газа, а в его центре две из его крупнейших галактик находятся в процессе слияния в одну. Извержение, которое обнаружили ученые, вероятно, произошло из сверхмассивной черной дыры в одной из этих сталкивающихся галактик.
И пока эти галактики продолжают двигаться к столкновению, ученые смогли различить S-образную цепочку из 19 огромных звездных скоплений, называемых «сверхскоплениями».
Чтобы исследовать формирование струны сверхскопления, астрономы со всего мира обратились к обширным данным, связанным с электромагнитным спектром, включая данные радиоволн с радиотелескопа Low-Frequency Array (LOFAR), а также данные видимого света и рентгеновского излучения, собранные рентгеновской обсерваторией Chandra NASA . Понимание формирования этой невероятной особенности может привести к лучшей картине того, как сверхмассивные черные дыры формируют окружающую их среду.
«Извержения черных дыр, подобные тому, что помогло создать сверхскопления в SDSS J1531, как ожидается, будут очень важны для поддержания газа в скоплениях галактик горячим», — сказал в своем заявлении Тимоти Дэвис, член исследовательской группы и ученый из Кардиффского университета. «Нахождение столь явных доказательств этого продолжающегося процесса позволяет нам понять влияние гигантских черных дыр на их окружение».
Странная цепочка «звездных драгоценностей», состоящая из звездных скоплений, образовавшихся вокруг мощного извержения черной дыры. Рентгеновские лучи: NASA/CXC/SAO/O. Omoruyi et al.; оптические лучи: NASA/ESA/STScI/G. Tremblay et al.; радиосигналы: ASTRON/LOFAR; обработка изображений: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Считается, что в центрах всех крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры с массой в миллионы или даже миллиарды масс Солнца. В то время как многие из этих космических монстров тихо скрываются, такие как Стрелец А* (Sgr A*), который находится в самом сердце Млечного Пути, другие поглощают газ, пыль и даже звезды вокруг них. Эти сверхмассивные черные дыры являются частью того, что известно как активные галактические ядра (AGN), и окружены дисками газа и пыли, которые их питают. Эти диски называются аккреционными дисками. Массивные гравитационные воздействия этих активно питающихся черных дыр создают турбулентные условия в их соответствующих аккреционных дисках, заставляя окружающую среду ярко светиться.
Кроме того, любая материя, которая не попадает в сверхмассивную черную дыру, направляется к полюсам космического титана мощными магнитными полями. Здесь эти заряженные частицы ускоряются до скоростей, приближающихся к скорости света, извергаясь в виде высококоллимированных релятивистских струй из обоих полюсов черной дыры. Это извержение обычно сопровождается взрывом электромагнитного излучения в диапазоне длин волн света.
В результате активные ядра галактик и связанные с ними квазары часто настолько яркие, что затмевают совокупный свет каждой звезды в галактиках вокруг них.
Команда утверждает, что, поскольку струя, вырывающаяся из одной из гигантских галактик в центре SDSS J1531, выталкивается наружу, она выталкивает горячий газ из черной дыры. Команда, стоящая за этим исследованием, считает, что такая активность создала гигантскую полость вокруг пустоты.
«Мы уже смотрим на эту систему, какой она была четыре миллиарда лет назад, вскоре после образования Земли», — сказал в заявлении руководитель группы и исследователь Гарвардского центра астрофизики Осасе Оморуйи. «Эта древняя полость, окаменелость черной дыры, рассказывает нам о ключевом событии, которое произошло почти на 200 миллионов лет раньше в истории скопления».
На иллюстрации показаны струи, вырывающиеся из обоих полюсов сверхмассивной черной дыры в центре активного галактического ядра
Реконструируя эту бурную последовательность событий с помощью Chandra, Оморуйи и его коллеги отслеживали движения плотного газа около сердца SDSS J1531. Это выявило яркие рентгеновские «крылья» на краю полости. Радиоволновые данные от LOFAR показали команде остатки энергичных частиц, связанных с извергнутой струей, «дымящийся пистолет» доказательства этого древнего мощного извержения.
«В этой системе явно есть очень активная черная дыра, которая постоянно извергается и сильно влияет на газ вокруг себя», — сказал Дэвис. «Здесь мы обнаруживаем дымящийся пистолет и видим его воздействие одновременно».
Энергия выброса этой струи является одной из самых высоких из когда-либо зарегистрированных, пояснил Оморуйи в блоге Гарварда, что струя высвободила в 100 000 триллионов раз больше энергии, чем Солнце выделит за всю свою жизнь.
«По мере того, как струя распространялась в пространстве, она вырезала гигантский пузырь в остывающем газе, поднимая и рассеивая окружающий материал», — продолжила она. «Несмотря на то, что это произошло почти 200 миллионов лет назад, наследие выброса сохраняется. Ранее поднятый газ теперь остыл и тяготеет обратно к центру скопления, обеспечивая свежее топливо для молодого звездообразования «бусины на нитке».
Оморуйи добавил, что, хотя открытие этого мощного оттока само по себе удивительно, одним из самых примечательных моментов этого наблюдения является тот факт, что общее скопление осталось стабильным.
Что команде еще предстоит обнаружить, так это доказательства второй мощной струи, которая могла бы вырваться в противоположном направлении и с другого полюса сверхмассивной черной дыры. Исследователи полагают, что доказательства этого близнеца струи могут быть найдены в рентгеновских и радиоволновых излучениях при дальнейшем исследовании.
«Мы считаем, что наши доказательства этого огромного извержения сильны, но дополнительные наблюдения с помощью Chandra и LOFAR подтвердят это», — заключил Оморуйи. «Мы надеемся узнать больше о происхождении полости, которую мы уже обнаружили, и найти ту, которую мы ожидаем по другую сторону черной дыры».
Наблюдая за рентгеновскими лучами, выбрасываемыми во Вселенную сверхмассивной черной дырой, ученые обнаружили странные вспышки, которые оказались отражением, полученным от обратной стороны дыры. Это первое прямое наблюдение света, приходящего из-за черной дыры — явления, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна, но не подтвержденного до сих пор. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Астрофизик Стэнфордского университета Дэн Уилкинс (Dan Wilkins) изучал сверхмассивную черную дыру в центре галактики, находящейся на расстоянии 800 миллионов световых лет от нас, когда заметил нечто неожиданное. Наряду с яркими рентгеновскими вспышками, телескопы зафиксировали дополнительные вспышки, которые появились позже основных, были менее яркими и разных «цветов». Согласно расчетам, эти отблески, или световые эхо соответствовали рентгеновским лучам, отраженным от обратной стороны черной дыры.
«Любой свет, который попадет в черную дыру, не выходит из нее, поэтому мы не должны видеть то, что находится позади черной дыры, — приводятся в пресс-релизе университета слова Дэна Уилкинса, научного сотрудника Института астрофизики элементарных частиц и космологии и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета. — Причина, по которой мы можем это видеть, заключается в том, что черная дыра искривляет пространство, отклоняет свет и закручивает вокруг себя магнитные поля».
Художественное представление света, приходящего из-за черной дыры. Dan Wilkins
Изначально исследование было направлено на изучение короны — элемента, которым обладают некоторые черные дыры. Материал, падающий в сверхмассивную черную дыру, питает самые яркие непрерывные источники света во Вселенной и при этом образует корону рентгеновского света вокруг черной дыры.
Существующая теория утверждает, что формирование этого элемента начинается со сползания газа в черную дыру, где он перегревается до миллионов градусов. При такой температуре электроны отделяются от атомов, создавая намагниченную плазму. Захваченное мощным вращением черной дыры, магнитное поле изгибается над черной дырой и так сильно вращается вокруг себя, что в конечном итоге полностью разрушается. Ситуация напоминает то, что происходит вокруг Солнца. Поэтому ученые по аналогии с солнечной короной назвали это явление короной черной дыры.
«Это магнитное поле, связанное и близкое к черной дыре, нагревает все вокруг и производит эти высокоэнергетические электроны, которые затем создают рентгеновские лучи, — объясняет Уилкинс. — В течение нескольких лет я строил теоретические предсказания того, как будут выглядеть для нас эти отголоски, поэтому, как только я увидел их в телескоп, я понял, с чем они связаны».
«Пятьдесят лет назад, когда астрофизики начали размышлять о том, как магнитное поле может вести себя вблизи черной дыры, они понятия не имели, что однажды у нас появятся методы, позволяющие наблюдать это напрямую и увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии», — говорит еще один автор исследования профессор Роджер Бландфорд (Roger Blandford) из Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфорда, а также профессор физики и физики элементарных частиц SLAC.
Авторы продолжат описание и изучение корон черных дыр. Особые надежды они возлагают на космический телескоп «Афина» Европейского космического агентства, запуск которого намечен на 2031 год.