Подпишитесь в Клуб для быстрого доступа
Введите ваш адрес электронной почты ниже, и мы отправим подтверждение и подпишем вас на нашу рассылку. Отправляя свои данные, вы подтверждаете, что вам 16 лет или больше, принимаете Условия и положения. Действуют географические правила. Ваше членство начинается здесь. Продолжайте исследовать и зарабатывать больше как участник.
Последние миссии в космосе, открытия и новости об исследованиях. Советы по наблюдению звёздного неба, космические события и экспертные оценки Вселенной. Начните получать эксклюзивные предложения, экспертные рекомендации и многое другое. Новости космоса, космические обновления и экспертные мнения прямо на вашу почту. Срочные новости о космосе, последние обновления о запуске ракет, события для наблюдения неба и многое другое!
Ваша подписка на рассылку успешно оформлена. Получите полный доступ к премиум-статьям, эксклюзивным материалам и растущему списку вознаграждений для участников.
Ранние сверхмассивные чёрные дыры: новая интерпретация наблюдений JWST
За время наблюдений ранней Вселенной телескопом Джеймса Вебба (JWST) он не раз фиксировал научные вехи. Однако этот аппарат стоимостью около 10 миллиардов долларов также создал для астрономов серьёзную проблему — в буквальном смысле слова. JWST регулярно обнаруживает сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной, массы которых в сотни миллионов раз превышают массу Солнца; такие объекты кажутся слишком большими, чтобы вырасти до таких размеров, когда возраст Вселенной ещё был меньше миллиарда лет. Эти космические титаны также кажутся чрезмерно массивными по сравнению с массами их маленьких галактик‑приёмников, что ставит под сомнение известные астрономам соотношения между сверхмассивными чёрными дырами и их галактическими домами, обычно наблюдаемые в современной Вселенной.
Теперь новое исследование предлагает, что этой проблемы, возможно, вовсе нет. Команда, стоящая за работой, считает, что всё дело в точке зрения: ранние сверхмассивные чёрные дыры не так уж монументальны, как ранее оценивали учёные. «Мы оцениваем массы примерно в один–десять миллионов солнечных масс, по сравнению с десятками или сотнями миллионов, которые выводили ранее», — заявил руководитель команды Алессандро Тринка из Римской астрономической обсерватории Итальянского национального института астрофизики (INAF). «Это по‑прежнему огромные объекты, сопоставимые с чёрной дырой в центре Млечного Пути массой около четырех миллионов солнечных масс, или в несколько раз больше, но они лежат в нижней части популяции сверхмассивных чёрных дыр, а не среди самых экстремальных примеров. Важно, что такие массы гораздо более согласуются с маленькими галактиками, которые их хостят.»
Ключ к разгадке может скрываться в отсутствующих рентгеновских излучениях
Размышляя о загадке «чрезмерно массивных» чёрных дыр в ранней Вселенной, Тринка и коллеги обратили внимание на ещё одну аномалию, связанную с этими объектами. Чтобы достигнуть таких размеров, чёрные дыры должны активно поглощать окружающий газ и пыль. Поглощающие материю чёрные дыры и окружающие их запасы газа и пыли обычно являются очень яркими источниками рентгеновского излучения. Однако с рентгенами это не похоже на случаи сверхмассивных чёрных дыр ранней Вселенной, обнаруженных JWST. Команда изучила 14 сверхмассивных чёрных дыр, молчащих в рентгене, и пришла к выводу, что существует иное объяснение этому отсутствию излучения.
«Практически ни один из них не обнаружен в рентгене, даже в очень глубоких наблюдениях с помощью рентгеновской обсерватории Chandra НАСА», — сказал Тринка. «Мы интерпретировали этот недостаток рентгеновского излучения как подсказку, а не как проблему. Включив это в наш анализ, мы пришли к выводу, что эти объекты, вероятно, гораздо менее массивны, чем оценивали ранее. Это приводит их оценки масс в лучшее согласие с свойствами их галактик‑хозяев.»
Это привело Тринку и команду к ещё одному выводу: эти ранние сверхмассивные чёрные дыры могут быть не такими массивными, как считалось раньше, но они питаются ещё быстрее, чем думали. Если питающиеся чёрные дыры излучают много рентгеновских лучей, может показаться парадоксальным, что жадно питающиеся чёрные дыры оказываются рентгеново «тихими». Тринка объясняет, что это кажущееся противоречие связано с тем, что происходит, когда чёрная дыра аккумулирует материю с чрезвычайно высокой скоростью. Газовый диск вокруг чёрной дыры становится геометрически толстым, принимая вид бублика с узким фонтаном вдоль оси вращения. Горячая внутренняя область, которая обычно продуцирует сильные рентгеновские лучи, оказывается окружённой этим толстым диском.
«По мере того как рентгеновские лучи покидают систему, они многократно рассеиваются окружающим газом, теряя энергию прежде, чем смогут выйти. В результате чёрная дыра выглядит гораздо слабее в рентгене, чем мы обычно ожидали бы», — продолжил Тринка. «Таким образом, отсутствие рентгеновского излучения в этой модели не является неожиданностью; это на самом деле предсказание модели. Кроме того, такое очень интенсивное питание может помочь объяснить, как эти чёрные дыры успели вырасти до миллионов солнечных масс к тому времени, когда Вселенная была всего в несколько сотен миллионов лет.»
Одна из причин, по которой сверхмассивные чёрные дыры вызывают столько вопросов в ранней Вселенной, заключается в том, что они растут, поглощая материю и сливаясь с другими чёрными дырами. Однако существует предел тому, насколько быстро чёрная дыра, или любой астрономический объект, может набирать материю. Этот предел называется «пределом Эддингтона»: по мере того как объект аккумулирует больше материи, он излучает больше энергии. Когда диск вокруг питающейся чёрной дыры собирает достаточно массы, он должен испускать такое количество излучения, что оно будет отталкивать поступающую материю, мешая её пополнению. В итоге питание чёрной дыры прерывается и её рост замедляется.
Тем не менее исследование показывает, что сверхмассивные чёрные дыры могут входить в краткие фазы «сверх‑Эддингтонова» аккреции. «Если эти чёрные дыры на порядок до тридцати раз менее массивны, чем оценивали ранее, то для достижения нынешних масс требуется гораздо меньше вещества в доступное время, и их история роста становится гораздо менее экстремальной», — сказал Тринка. «Вместо необходимости непрерывного, непререкаемого роста на протяжении сотен миллионов лет, картина становится картиной более коротких эпизодов очень быстрой аккреции, что как раз то поведение, которого можно ожидать в богатых газом и динамически активных галактиках ранней Вселенной.»
Подтвердить теорию команды о всплесках экстремального питания сверхмассивных чёрных дыр потребует астрономических доказательств, которые пока могут быть трудно достижимы. «Самая прямая проверка — изучить подобные объекты, которые аккрецируют очень быстро, но находятся на меньших расстояниях, где мы можем детальнее наблюдать и характеризовать их окружение. Однако такие объекты довольно редки», — сказал Тринка. «Для более отдалённой популяции, наблюдаемой JWST, будущие миссии, обеспечивающие более глубокие рентгеновские наблюдения и улучшенные спектры, будут иметь решающее значение и, возможно, смогут обнаружить слабое рентгеновское излучение, предсказанное этой моделью.»
Исследователь из INAF добавил, что в более долгосрочной перспективе получение прямых и независимых измерений масс чёрных дыр в всё более ранние космические эпохи даст самое сильное испытание теории команды. Пока же работа служит впечатляющим примером того, что учёные могут извлечь из наблюдений не зафиксировав что‑то, а именно из отсутствия обнаружения. «Интересным было увидеть, сколько информации можно извлечь из того, чего мы не увидели», — заключил Тринка. «Незапись события может показаться наименее информативной формой наблюдения, но в этом случае отсутствие рентгеновских лучей обеспечило сильное ограничение и помогло более ясно определить физическую картину, чем одни только детекции.»
Работа команды опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
О авторе
Вы должны подтвердить ваше публичное имя перед комментированием. Пожалуйста, выйдите из системы и затем войдите снова, после чего вам будет предложено ввести отображаемое имя. Роберт Лиа — научный журналист из Великобритании. Его статьи публиковались в Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук по физике и астрономии Открытого университета Великобритании. Следите за ним в Твиттере @sciencef1rst.