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

Источник изображений: NASA

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

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

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

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

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

В ядре нашей галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая ведёт себя относительно тихо. Но учёные Страсбургского университета (Франция) доложили об обнаружении следов вспышки в рентгеновском диапазоне, которую крупнейшая чёрная дыра Млечного Пути произвела двести лет назад.

Источник изображений: astro.unistra.fr

В центре Млечного Пути, как и большинства других галактик, находится сверхмассивная чёрная дыра. Она называется Стрелец A*, её масса примерно в 4 млн раз превосходит солнечную, и она действительно ведёт себя относительно тихо по сравнению со своими сверстниками в других галактиках. Так было не всегда: есть подтверждения, что 6 млн и 3,5 млн лет назад Стрелец A* производила колоссальные вспышки излучения, сопровождаемые выбросами материи и ударными волнами, которые до сих пор можно засечь при наблюдении в некоторых диапазонах.

Несколько космических рентгеновских телескопов, включая IXPE, Chandra и XMM-Newton помогли обнаружить в окрестностях Стрельца A* гигантские молекулярные облака с неожиданно ярким свечением в рентгеновском диапазоне. При помощи IXPE была произведена оценка поляризации излучения, которая помогла выявить источник феномена — угол поляризации указал на Стрелец A*, а её степень продемонстрировала, какое расстояние преодолели эти облака с тех пор, как чёрная дыра их выбросила. Это, в свою очередь, помогло учёным понять, когда произошла вспышка — немногим менее двухсот лет назад.

Учёным удалось оценить и яркость вспышки: как выяснилось, в течение некоторого времени сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути сияла в рентгеновском диапазоне примерно в миллион раз ярче обычного. Так ярко светят ядра сейфертовских галактик — примерно как все звезды Млечного Пути вместе взятые. К сожалению, у астрономов XIX века не было возможностей зафиксировать это событие: рентгеновское излучение открыли лишь в конце века.

Знания об истории активности Стрельца A* помогут предсказывать будущее сверхмассивной чёрной дыры. В последние годы она испускает вспышки в рентгеновском и ближнем инфракрасном диапазонах — они могут быть предвестником нового периода повышенной активности Стрельца A*, но могут оказаться и следами попадания в неё неких заблудших объектов.

Астрономы использовали беспрецедентные возможности космического телескопа «Джеймс Уэбб» для обнаружения настоящего монстра звёздного мира. Выявленная чёрная дыра оказалась столь беспрецедентно массивной, что, вероятно, остановила процесс образования новых звёзд в древней галактике GS-9209.

"Джеймс Уэбб", иллюстрация. Источник изображения: NASA

Команда учёных из Эдинбургского университета использовала «Джеймс Уэбб», чтобы изучить одну из самых отдалённых галактик — GS-9209 находится в 25 млрд световых лет от Земли. В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, выяснилось, что галактика интересна не только этим. По данным учёных, речь идёт о т.н. «массивной покоящейся галактике», всего через 800 млн лет после Большого взрыва сформировавшей столько же звёзд, сколько имеется в Млечном пути. Хотя GS-9209 имеет примерно столько же звёзд с общей массой, равной приблизительно 40 млрд масс Солнца, размером галактика в 10 раз меньше нашей.

«Джеймс Уэбб» помог учёным выяснить, что главный виновник того, что образование звёзд в чужой галактике прекратилось, — сверхмассивная чёрная дыра в центре GS-9209, которая в 5 раз массивнее, чем должна была бы быть в соответствии с современными научными представлениями — исходя из числа светил в галактике.

По словам учёных, такая чёрная дыра оказалась «большим сюрпризом» и ещё одним подтверждением одной из теорий, согласно которой сверхмассивные чёрные дыры могут мешать появлению новых звёзд. В процессе аккреции они интенсивно испускают высокоэнергетическое излучение, которое нагревает газ и буквально «выталкивает» его из галактик, в результате чего новые звёзды не возникают из-за нехватки основного «строительного материала».

Тот факт, что данная чёрная дыра столь массивна, может означать, по мнению учёных, что она была «очень активна в прошлом», поглощая огромное количество газа и пыли и, вероятно, светилась как квазар, а вся энергия, выделенная в процессе аккреции, вероятно, серьёзно повлияла на процесс звездообразования во всей галактике, не давая газу превратиться в новые звёзды.

«Джеймс Уэбб» чрезвычайно эффективен не только на длинных, но и на весьма коротких дистанциях. Относительно недавно он обнаружил гигантский ледяной гейзер на спутнике Сатурна — Энцеладе, что поможет учёным сделать немало открытий, связанных с этим небольшим, покрытым льдом миром.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) показал фрагменты галактики NGC 4395. Её отличает очень низкая поверхностная яркость — галактика рассеяна и излучает меньше света, чем другие, но при этом у неё очень яркое ядро.

Центральная область NGC 4395, снятая Wide Field Camera 3 телескопа «Хаббл». Источник изображений: nasa.gov

Расположенная на расстоянии около 14 млн световых лет от Земли NGC 4395 относится к сейфертовским или галактикам с очень ярким ядром — это одна из самых близких и тусклых из известных сейфертовских галактик. Высокая яркость ядра объясняется присутствием в нём чёрной дыры — она активно поглощает вещество, и при этом возникает значительное свечение во всём электромагнитном спектре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и центральная область галактики (справа)

Яркость активного галактического ядра зачастую оказывается настолько высокой, что за ним не видно окружающих его звёзд, тогда как сейфертовскую галактику обнаружить возможно. Ядро NGC 4395 имеет относительно низкую светимость по сравнению с другими активными галактическими ядрами, поскольку находящаяся в нём чёрная дыра по массе «лишь» в 10 тыс. раз превосходит солнечную, а значит, она относится не к сверхмассивным, а к чёрным дырам средней массы.

Один из рукавов NGC 4395. Снимок получен инструментами «Хаббла» Wide Field Camera 3 и Advanced Camera for Surveys

Ещё одной редкой чертой карликовой галактики NGC 4395 является отсутствие балджа или галактической выпуклости — плотной группы звёзд в её центре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и спиральный рукав галактики (справа)

Учёные уже два десятилетия наблюдают за газопылевым облаком X7 с помощью инструментов обсерватории Кека на гавайской горе Мауна-Кеа. Теперь они заявили, что по мере ускорения своего движения к сверхмассивной чёрной дыре в центре галактики Млечный Путь облако будет разорвано на части.

Снимок объектов G и газопылевого облака X7, полученный в 2021 году. Источник изображений: Keck Observatory

Эволюцию облака, которое превращается в газопылевую нить, учёные отслеживают с 2002 года — последние изображения объекта указывают, что его длина составляет 3000 астрономических единиц, то есть в 3000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Астрономы говорят, что объект помогает изучить действие приливных сил чёрной дыры и даёт некоторое представление о физике экстремальных условий в районе центра галактики. Приливные силы — это гравитационное притяжение, из-за которого приближающийся к чёрной дыре объект растягивается: ближайшая к ней сторона удлиняется сильнее, чем противоположная.

Газопылевое облако имеет массу, в 50 раз превышающую земную. Сейчас оно находится на орбите сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A*, прохождение по которой должно занять у объекта 170 лет, но едва ли X7 успеет совершить хотя бы один оборот — прежде его разорвёт на части. Максимальное сближение X7 со Стрельцом A* произойдёт примерно в 2036 году, и вскоре после этого облако рассеется: чёрная дыра притянет газ и пыль. Для наблюдения за X7 используются инфракрасный спектрограф OSIRIS, камера ближнего инфракрасного диапазона NIRC2, а также адаптивные оптические системы на телескопах Keck I и Keck II.

Эволюция облака X7

X7 демонстрирует некоторые свойства, наблюдаемые у других пылевых объектов, которые вращаются вокруг Стрельца A* — эти так называемые объекты G выглядят как газовые облака, но ведут себя как звёзды. Скорость движения X7 по орбите составляет до 784 км/с: из-за чрезвычайно высокой массы чёрной дыры всё в её окрестностях движется значительно быстрее, чем в любом другом месте нашей галактики. Происхождение облака пока остаётся тайной для учёных, но у них уже есть гипотеза: оно могло возникнуть при слиянии двух звёзд. Обычно в этом процессе поглощаемая звезда оказывается в газопылевой оболочке, что соответствует описанию объектов G, а выбрасываемый газ производит объекты вроде X7.

Структура в сердце скопления галактик в созвездии Персея теперь может быть рассмотрена более детально — учёные создали потрясающее комбинированное изображение благодаря новой методике, объединяющей снимки в рентгеновском и радиодиапазонах.

Для получения снимка центральной части Скопления Персея были объединены данные с массива антенн радиотелескопа LOFAR (Low Frequency Array) и рентгеновской обсерватории «Чандра», а также телескопов WIYN и «Хаббл». Используя такую комбинацию, учёные получили не только потрясающее изображение, но, что более важно, оно позволило команде астрономов больше узнать о происхождении загадочной структуры на снимке.

По словам ведущего автора исследования Роланда Тиммермана (Roland Timmerman) из нидерландского Лейденского университета, комбинация снимков позволяет лучше понять, что происходит в данном скоплении. Красным отображается радиоизлучение, полученное LOFAR, синим — рентгеновское излучение, захваченное телескопом Chandra, а белым — H-альфа излучение тёмно-красной видимой части спектра, полученное телескопом WIYN. Наконец, ночное небо снято телескопом Hubble в оптическом диапазоне.

Источник изображения: LOFAR/Chandra/WIYN/Hubble/Frits Sweijen

Фактически цвета маркируют разные типы излучения в скоплении галактик — в видимом диапазоне такие подробные данные получить бы не удалось. Используя методику команды Тиммермана, астрономы смогут объединять и другие изображения, что поможет больше узнать об эволюции скоплений, от рождения звёзд до появления сверхновых и столкновения галактик.

Считается, что в центре большинства крупных галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры. Когда речь идёт о скоплении галактик, отдельные его структуры могут сформироваться в результате выбросов газа сверхмассивными чёрными дырами в некоторых галактиках, составляющих скопление. Материя подобных струй газа нагревает окружающий газ, что и приводит к формированию структур, видимых на снимке. Так, считают учёные, и образовалась показанная на снимке структура в центра Скопления Персея. Она простирается на десятки тысяч световых лет и находится в таком состоянии сотни миллионов лет.

LOFAR. Источник изображения: Wikipedia

LOFAR является крупнейшим радиотелескопом на Земле со штаб-квартирой в Нидерландах. С момента начала работы в 2010 году в Европе для него построили дополнительные антенны, что позволяет делать снимки в радиодиапазоне с высоким разрешением, распознавая радиоизлучение на очень низких частотах. До того, как LOFAR добавили новые антенны, создание комбинированного снимка такого качества было невозможно.

Учёные из Амстердамского университета в Нидерландах предложили сравнительно простую модель чёрной дыры, которую относительно легко можно воспроизвести в лабораторных условиях. Эксперименты с моделями чёрных дыр представляются новым уровнем изучения этих объектов, которые в природе нам недоступны. Это обещает дать обширный материал для открытия множества новых фундаментальных явлений в физике, чего невозможно добиться одной лишь математикой.

Источник изображения: Yukterez/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Физическое моделирование поведения чёрной дыры возможно благодаря квантовым свойствам этих явлений. Точнее, моделирование квантовых явлений позволяет отождествить их с поведением чёрных дыр. За горизонтом события чёрных дыр свет и другое электромагнитное излучение не может покинуть этот объект. Но на уровне квантовых явлений частицы могут проникать даже из-за горизонта событий, что получило название излучения Хокинга.

В природе излучение Хокинга невозможно зафиксировать никакими приборами — оно сродни тепловому излучению и в миллионы раз слабее реликтового излучения. Ценность предложенной нидерландскими учёными физической модели чёрной дыры заключается в том, что она позволяет регистрировать имитацию излучения Хокинга с точностью, которая математически соответствует природному поведению чёрных дыр.

Предложенная физиками модель чёрной дыры представляет собой линейную цепочку атомов, по которой могут передвигаться электроны. Система настроена таким образом, что у неё имеется свой горизонт событий — барьер, через который электроны не в состоянии пройти. В то же время опыты показали, что хорошо известный в квантовом мире эффект туннельного перехода электронов проявляет себя в полной мере, позволяя им проникать из-за «горизонта событий» модели чёрной дыры.

Преодоление электронами искусственного горизонта событий сопровождалось заметным повышением температуры, которое соответствовало теоретическим расчётам для эквивалентной системы черных дыр. Это явление в значительной степени напоминало излучение Хокинга. В природе мы не можем зарегистрировать такие явления, но в лаборатории, похоже, всё это поддаётся моделированию и изучению.

Земные астрономы зарегистрировали т.н. «событие приливного разрушения» (СПР) — чёрная дыра, находящаяся в миллионе световых лет от Земли в одной из карликовых галактик, уничтожила звезду, оказавшуюся слишком близко от невидимого с помощью телескопов объекта.

Источник изображения: NASA

Чёрная дыра средней массы буквально разорвала звезду в ходе СПР. О далёком инциденте стало известно, когда произошёл выброс радиации настолько мощный, что на краткое время смог затмить свет всех звёзд, формировавших карликовую галактику. Явление, возможно, помогло учёным лучше понять взаимодействие галактик и находящихся в них чёрных дыр. Кроме того, выявлена очередная чёрная дыра, а сама вспышка такого рода помогает определять массы подобных объектов.

Вспышка, получившая кодовое имя AT 2020neh, обнаружена в рамках проекта Young Supernova Experiment (YSE), в ходе которого выявляются относительно непродолжительные космические события вроде взрывов сверхновых. Команда Калифорнийского университета в Санта-Крус (UCSC) а также их коллеги из других научных учреждений благодаря СПР смогли измерить массу чёрной дыры, выяснив, что она в 100 тыс. — 1 млн раз больше массы Солнца.

СПР успешно использовались для замера масс сверхмассивных чёрных дыр в прошлом, но теперь впервые с их помощью определена масса объекта среднего размера. Это означает, что наблюдения за вспышкой AT 2020neh могли бы стать основой для оценки чёрных дыр средних масс в будущем.

По мнению учёных, наблюдение поглощения звезды чёрной дырой обеспечило редкую возможность заметить то, что в прочих случаях могло остаться скрытым от исследователей. Более того, свойства вспышки позволяют многое понять о чёрных дырах средней массы.

Чёрные дыры среднего размера имеют массу в 100 — 100 000 масс Солнца. Они намного массивнее обычных чёрных дыр, но несопоставимо уступают чёрным дырам, расположенным в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Астрофизики давно подозревали, что сверхмассивные чёрные дыры массой в миллионы или даже миллиарды солнечных, могут расти за счёт слияния чёрных дыр средней массы. Одна из теорий допускает, что на первых этапах существования Вселенной могло быть очень много карликовых галактик с чёрными дырами средних масс в их центрах.

Источник изображения: NASA

По мере того как карликовые галактики сливались или поглощались более крупными «соперницами», чёрные дыры в их центрах поглощали друг друга, наращивая массу. В результате цепочки слияний и сформировались сверхмассивные чёрные дыры, присутствующие сегодня в центрах большинства галактик.

По мнению учёных, если удастся выяснить, сколько чёрных дыр средних масс находится во Вселенной и где они расположены, можно будет определить, соответствуют ли теории формирования сверхмассивных чёрных дыр действительности.

Один из вопросов, связанных с этой теорией — все ли карликовые галактики имеют собственные чёрные дыры средней массы в центре? На этот вопрос довольно трудно ответить, поскольку подобные объекты невидимы для телескопов до тех пор, пока не начинают захватывать окружающий газ, пыль или не разрывают звёзды в ходе СПР. Дополнительно астрономы могут определить наличие чёрных дыр по косвенным признакам — их гравитационному воздействию на окружающие звёзды, но пока эти методы недостаточно чувствительны для выявления отдалённых объектов в карликовых галактиках.

В результате пока в карликовых галактиках обнаружено немного чёрных дыр среднией массы, поэтому вспышки вроде AT 2020neh могут очень помочь в процессе их выявления и решении вопроса о том, как именно формировались сверхмассивные чёрные дыры.