Таинственные черные бегемоты, управляющие нашими галактиками

Только в прошлом году астрономы, наконец, смогли обнародовать первые фотографии сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь. Но вы не могли увидеть саму черную дыру, во всяком случае, напрямую. Это потому, что он настолько плотный, что его гравитационное притяжение не позволяет вырваться даже свету.

Но изображение Стрельца А, известной как черная дыра в нашей галактике, выявило светящийся ореол газа вокруг объекта — объекта, который, как мы теперь знаем, имеет массу в миллион раз больше, чем наше Солнце.

Недавние открытия, подобные этому, а также многие другие, поразили астрономов.

«За последние несколько лет все, что мы думали, что знали о черных дырах, теперь ставится под вопрос», — сказал профессор Микела Мапелли, астрофизик из Падуанского университета в Италии.

Все слышали о черных дырах. Однако мало кто понимает, насколько эти странные объекты продолжают досаждать астрономам.

Одна черная дыра заявила о себе астрономам в прошлом году, когда она разорвала, а затем проглотила звезду, которая подошла слишком близко. Другая была описана как самая быстрорастущая черная дыра из когда-либо наблюдаемых, каждую секунду поглощающая массу, эквивалентную массе одной Земли. В результате она уже в 3 миллиарда раз массивнее нашего Солнца.

Космические пескари

Мапелли изучает звездные черные дыры, которые образуются, когда большая быстро горящая звезда коллапсирует сама в себя. По сравнению со сверхмассивными эти черные дыры — космические пескари.

Астрономы ожидали, что такие черные дыры будут иметь массу от пяти до десяти масс нашего Солнца.

Но правда в том, что эти типы черных дыр имеют гораздо более широкий диапазон размеров. В последние годы были обнаружены некоторые из них с массой до 100 масс Солнца, а также одна масса всего 2,6.

«Мы обнаружили особенности и диапазон масс черных дыр, которые мы даже не могли себе представить до недавних наблюдений», — сказал Мапелли.

Одна система, которая заинтриговала ее, известна как бинарные черные дыры, в которых два объекта вращаются вокруг друг друга. Это может произойти, когда две звезды, вращающиеся вокруг друг друга, заканчивают свою жизнь как черные дыры.

С другой стороны, может быть много других способов образования бинарных черных дыр, и это то, что Мапелли изучает в своем проекте DEMOBLACK , финансируемом Европейским исследовательским советом.

«Семь лет назад большинство людей скептически относились к существованию бинарных черных дыр, — сказала она. «Даже теоретики не были убеждены в их существовании».

Сейчас, по словам Мапелли, обнаружено почти 100 из них. Они излучают гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, которые могут быть обнаружены сложными детекторами в Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории в США и итальянском интерферометре Virgo.

Большинство астрофизиков, по словам Мапелли, сомневались, что две черные дыры могут сблизиться настолько, чтобы слиться, но затем гравитационные волны начали сигнализировать о столкновении черных дыр. Одно необычное событие слияния в 2019 году произошло между черными дырами массой 60 и 80 солнечных.

Неизвестно, образовались ли эти черные дыры непосредственно из звезд. Это связано с тем, что предположение о том, что черные дыры, рожденные звездами, имели массу от пяти до десяти солнечных масс, теперь опровергнуто.

«Существует действительно большой вопрос, составляет ли максимальная масса звездной черной дыры всего 60 солнечных масс или может быть 90 или даже 300?» — сказал Мапелли. «Я чувствую себя виноватым из-за этой большой неопределенности, потому что я лично помог создать эту ситуацию».

Галактические монстры

Самые большие звери находятся в центре почти каждой галактики. Почти все они активны, внутри них находится горячий газ, засасывающий гравитацию. Масса некоторых из этих черных дыр в 10 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца.

«Это настоящие монстры», — сказал профессор Кристофер Рейнольдс из Кембриджского университета в Великобритании. «Их влияние в галактике может распространяться на 100 и даже 200 световых лет».

Даже на таких астрономических расстояниях звезды и галактики все еще чувствуют гравитационное притяжение этих черных дыр. Но выбросы их энергии по мере того, как они поглощают материю, ощущаются еще дальше, на расстоянии 100 000 световых лет и более.

В рамках проекта DISKtoHALO , финансируемого ЕС, Рейнольдс исследует, как эти сверхмассивные черные дыры растут, всасывают внутрь себя горячий газ и генерируют взрывы энергии наружу.

«Мы знаем, что эти черные дыры производят струи энергии, посылая удары наружу», — сказал он.

Одна вещь, которую астрофизики до сих пор не смогли понять, — это почему газ в ядре некоторых галактик может быть таким горячим — от 10 до 100 миллионов °C — хотя этим системам миллиарды лет и, следовательно, должно было быть много времени остыть.

То, как черные дыры взаимодействуют со своим ближайшим окружением и отдаленными частями своей галактики, является чрезвычайно сложной загадкой. Компьютерные модели с трудом могут помочь, потому что для этого требуется понимание относительно небольших масштабов, а также гигантских масштабов, измеряемых световыми годами.

«Вы говорите о чем-то размером с теннисный мяч, регулирующем что-то размером с Землю», — сказал Рейнольдс.

Один из способов изучения этих сверхмассивных черных дыр в центрах галактических скоплений — исследовать горячие газы в их окрестностях. Эти газы невозможно увидеть в телескоп, но их энергию можно наблюдать с помощью рентгеновских лучей, которые они испускают, потому что они очень горячие.

Опять же, остается неизвестным, почему горячий газ не остывает и не сливается в звезды.

«Вам нужен нагреватель, чтобы посылать энергию в центр скопления, и единственный достаточно мощный нагреватель — это сверхмассивные черные дыры», — сказал Рейнольдс.

Как именно работает этот обогреватель, продолжает озадачивать его и его коллег. Однако ясно, что сверхмассивные черные дыры не живут спокойно.

«Эти черные дыры даже не сферические, но они вращаются в виде диска, изобилующего нестабильностью», — сказал Рейнольдс.

Несмотря на новое понимание этих странных галактических существ, истинная природа черных дыр остается неясной. Прошлые предположения были поколеблены.

В чем мы можем быть уверены, так это в том, что черные дыры будут продолжать озадачивать самые яркие умы астрономов.

Исследование в этой статье финансировалось Европейским исследовательским советом ЕС (ERC). Эта статья была первоначально опубликована в Horizon , журнале ЕС по исследованиям и инновациям.