Опубликован второй снимок с телескопа, впервые запечатлевшего черную дыру


«Радиоастрон» уличил классический квазар 3C273 в превышении «разрешенной» температуры.

Квазар 3C273, открытый еще в 1963 году, загадал новую загадку астрономам – наблюдения за ним с помощью телескопа «Радиоастрон» показали, что он имеет эффективную температуру от 10 до 40 триллионов градусов, и это примерно в 10 раз выше значений, которые допускает теория, говорится в статье, опубликованной в ведущем научном журнале Astrophysical Journal Letters.

«Это противоречит нашим представлениям о природе излучения квазаров. Полагаю, за этим поразительным результатом скрывается новая глава в изучении дальней Вселенной», – говорит руководитель проекта «Радиоастрон», руководитель Астрокосмического центра ФИАН Николай Кардашев.

В центре спиральных галактик находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых может в миллионы и миллиарды раз превышать массу Солнца. Некоторые из них ведут себя крайне неспокойно – это так называемые активные ядра галактик, которые испускают мощные потоки электромагнитного излучения. В класс таких объектов входят и квазары, которые являются одними из самых ярких объектов во Вселенной. Первые из них были обнаружены еще в 1950-е годы, их назвали «радиозвездами», поскольку сначала считали объектами нашей Галактики. Однако ученых смущал их совсем не звёздный спектр. В 1963 году в созвездии Девы был обнаружен квазар 3C273, измерено его красное смещение, и стало понятно, что эти «квази-звезды» – ядра далеких активных галактик, находящиеся на расстоянии в миллиарды световых лет. Это компактные объекты, яркость которых может превышать яркость целой галактики. Сверхмассивные черные дыры в центрах квазаров притягивают материю, она нагревается до сверхвысоких температур и ее часть выбрасывается прочь в виде быстрых и узких плазменных струй – джетов.

Исследование квазаров позволяет лучше понять физику экстремальных состояний материи, и, в частности, изучить как «работают» сверхмассивные черные дыры. Наземно-космический интерферометр «Радиоастрон» – один из самых совершенных инструментов для этого. Он состоит из российского космического радиотелескопа «Спектр-Р», работающего совместно с крупнейшими наземными телескопами. Для исследований квазара 3C273 на Земле астрономы привлекли 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге (Германия), 110-метровый в Гринбэнке, 300-метровый телескоп Аресибо, и решетку VLA (США). Работая совместно, космическая и наземные радиообсерватории способны дать наивысшее угловое разрешение, когда-либо достигнутое в астрономии – в тысячи раз выше, чем у космического телескопа «Хаббл».

Именно возможности «Радиоастрона» позволили авторам исследования впервые зарегистрировать экстремальную яркость ядра квазара – в результате было получено значение эффективной температуры от 20 до 40 триллионов градусов Кельвина. Заметим, эффективная температура в данном случае лишь косвенно связана с «обычной» температурой, этим термином ученые обозначают температуру абсолютно черного тела, которое излучало бы с обнаруженной яркостью.

Это значение поставило ученых в тупик: дело в том, что эффективная температура плазмы, из которой состоят джеты квазаров, не может превышать 500 миллиардов градусов. Потолок температуры связан с так называемой обратной комптоновской катастрофой – если энергия электронов превышает этот предел, они начинают лавинообразно передавать энергию фотонам и охлаждаться. Но квазар 3C273 нарушает это ограничение, даже учет известного эффекта релятивистского усиления оказывается недостаточным для объяснения этого феномена.

«Каким-то образом ядро квазара умудряется держать температуру экстремально высокой. Мы высказали несколько идей, включая излучение релятивистских протонов. Будем разбираться. Это тот тип счастливых научных открытий, который обязательно поможет нам лучше понять принцип работы квазаров», — говорит руководитель научной программы «Радиоастрона», заведующий лабораторией АКЦ ФИАН Юрий Ковалев.

В РОЛИ ГАЛАКТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНА

Высокое разрешение «Радиоастрона» позволило ученым с помощью квазара 3C273 получить «рентгеновский снимок» нашей собственной Галактики. В изображении квазара удалось разглядеть неоднородности – яркие пятнышки, которые появились при прохождении излучения сквозь межзвездную среду Млечного пути.

«Точно так же, как пламя свечи искажает изображение, на которое смотрят сквозь горячий воздух над ней, турбулентности плазмы нашей собственной Галактики искажают изображения далеких астрофизических объектов, таких как квазары», – объясняет Майкл Джонсон из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра.

Результаты опубликованы в отдельной статье группы проекта «Радиоастрон», сразу следом за первой обсуждавшейся выше публикацией, в Astrophysical Journal.

«Квазары так компактны, что мы никогда ранее не могли видеть эти искажения. Поразительное угловое разрешение «Радиоастрона» дало нам новый инструмент, чтобы понять экстремальную физику по соседству с центральными сверхмассивными черными дырами в далеких галактиках и свойства диффузной плазмы, наполняющей нашу собственную Галактику», — отмечает он.

Это первый квазар, для которого ученые обнаружили эффект субструктуры рассеяния. Теперь им предстоит более детально изучить богатые данные наблюдений «Радиоастрона» многих квазаров, чтобы получить подробную информацию об особенностях межзвездной среды на основе анализа субструктур в их изображениях.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»

P.S. Материал снован на научных статьях:

  • Kovalev et al., 2020, Astrophysical Journal Letters, 820, L9;
  • Johnson et al., 2020, Astrophysical Journal Letters, 820, L10.

Контакт научной группы: Юрий Ковалев, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

_____________________________________________

Справка:

Проект «Радиоастрон» разработан в Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и НПО им. С.А. Лавочкина, в кооперации с рядом российских и международных организаций. Идея проекта состоит в создании наземно-космического радиоинтерферометра со сверхдлинной базой в несколько сотен тысяч километров, чего невозможно достичь с использованием наземных радиотелескопов.

Космический аппарат «Спектр-Р» с 10-метровым радиотелескопом был запущен с космодрома Байконур в июле 2011 года и выведен на эллиптическую орбиту с апогеем до 350 тысяч километров. Работая совместно с крупнейшими наземными радиотелескопами, он смог получить самое высокое угловое разрешение в истории астрономии – до 8 микросекунд дуги. Основные направления исследований: ядра галактик и массивные черные дыры, пульсары и межзвездная среда, галактические и внегалактические мазеры, гравитационная астрономия.

Опубликован второй снимок с телескопа, впервые запечатлевшего черную дыру

В апреле 2020 года человечество было поражено первой в истории фотографией тени сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87, и вот, Телескоп Горизонта Событий (Event Horizon Telescope, EHT), получивший тот исторический снимок, порадовал новым выдающимся кадром. На этот раз под его острый взгляд попали мельчайшие детали релятивистской струи, связанной с черной дырой в сердце далекого квазара 3C 279. Снимки и выводы ученых опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.

Астрономы проекта EHT продолжают извлекать информацию из изысканных данных, собранных в ходе глобальной кампании в апреле 2017 года. Целью наблюдений был квазар 3С 279 – галактика в созвездии Девы со сверхъярким центром, мерцающим, когда огромное количество газа и звезд падает в гигантскую черную дыру, уже накопившую массу в миллиард солнечных. Монстр разрушает светила, которые приближаются к предполагаемому аккреционному диску, после чего часть газа выбрасывается в виде двух тонких струй плазмы со скоростью, близкой к скорости света.

Ученые из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне (Германия) изучили мелкомасштабную морфологию вблизи основания джета, где, как предполагается, возникает сильно изменяющееся гамма-излучение.

EHT получил самые острые детали с разрешением менее светового года, позволяющим проследить релятивистский джет вплоть до аккреционного диска. Недавно проанализированные данные показали, что обычно прямая струя имеет неожиданную закрученную форму в своем основании, а также обнаружили перпендикулярные струе объекты, которые сначала можно было бы интерпретировать как аккреционный диск. Сравнивая изображения за несколько дней, астрономы изучили изменения колоссальной системы в мельчайших деталях, доступных ранее только при компьютерном моделировании.

«Мы знали, что, открывая новое окно во Вселенную, можно найти что-то новое. На этот раз, в поисках области, где образуется струя, мы обнаружили своего рода перпендикулярную структуру. Будто из самой маленькой матрешки мы достали абсолютно другую фигурку. Более того, нас также удивил тот факт, что изображения меняются так быстро», – сообщил руководитель анализа Чжэ Ен Ким.

Перпендикулярные видимые движения примерно в 20 раз быстрее скорости света трудно согласовать с простым пониманием распространяющегося релятивистского джета. Это говорит о наличии плазменных неустойчивостей в изогнутой струе или о ее внутреннем вращении.

«3С 279 был первым источником в астрономии, показавшим сверхсветовые движения, и сегодня, почти пятьдесят лет спустя, у него все еще остались сюрпризы для нас», – пишут исследователи.

Телескопы, входящие в коллаборацию EHT, работают вместе, используя метод радионтерферометрии со сверхдлинной базой, подразумевающий синхронизацию наблюдений по всему миру для формирования одного огромного телескопа размером с Землю, а полученные данные анализируются и преобразуются в изображение на суперкомпьютерах, размещенных в Институте радиоастрономии Макса Планка и обсерватории MIT Haystack Observatory.

«В прошлом году мы представили первое изображение тени черной дыры, а теперь видим неожиданные изменения в форме струи в 3С 279, и это еще не конец. Мы работаем над анализом данных о сверхмассивной черной дыре Стрелец А* в центре Млечного Пути, а также над другими активными галактиками, такими как Centaurus A, OJ 287 и NGC 1052. Как мы уже говорили год назад: это только начало», – подчеркнул значимость глобальных усилий Антон Зенсус, директор Института радиоастрономии Макса Планка и председатель Совета по сотрудничеству EHT.

Наблюдательная кампания EHT в марте-апреле 2020 года была отменена из-за глобальной вспышки CoViD-19. В настоящее время сотрудничество EHT сосредоточено на завершении научных публикаций на основе данных 2020 года, после чего перейдет к анализу результатов наблюдательной кампании расширенного массива EHT в 2018 году.

«Мы с нетерпением ожидаем проведения наблюдений с помощью массива EHT, увеличенного до одиннадцати обсерваторий в марте 2021 года», – поделились планами участники коллаборации.

7.3.1. Квазары

В 1960 году ученые обратили внимание на звездообразные объекты, источники мощного радиоизлучения. После анализа спектров этих источников установили, что они находятся на расстоянии более миллиарда световых лет. Подобные объекты были названы квазарами (сокращение от «квазизвездный радиоисточник»). Красное смещение квазаров намного больше красного смещения обычных звезд и близких галактик. Так, смещение спектральных линий водорода, кислорода и ионизованного магния в квазаре 3С273 оказалось равным 16 %:

Таблица 7.3.1.1
1
Рисунок 7.3.1.1.
Смещение спектральных линий в квазаре 3C273

Именно так и открыли, что эти звездообразные объекты находятся за пределами нашей Галактики.

Размеры квазаров не превышают нескольких световых дней, то есть 1013–1014 м. Мощность излучения квазаров превышает мощность Солнца в триллион раз. Так квазар 3С9, находящийся на расстоянии 12 миллиардов световых лет, имеет светимость 1038 Вт. Крошечная область в центре галактики, ее активное ядро, становится источником фантастического количества энергии. Для сравнения полная мощность излучения Солнца во всех диапазонах спектра – 4∙1026 Вт.

2
Рисунок 7.3.1.2.
Квазар 3C275 – самый яркий объект вблизи центра фотографии. Он удален от нас на 7 миллиардов световых лет
3
Рисунок 7.3.1.3.
Закрыв яркий квазар 3C273, можно обнаружить окружающую его эллиптическую галактику

В настоящее время есть гипотеза, что квазары – ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их излучение столь велико, что «забивает» излучение самой галактики. До сих пор непонятно, как формируются активные ядра галактик. Почему в одних галактиках основная энергия ядра выделяется в форме оптического и инфракрасного излучения, в других – в форме радиоволн и потоков релятивистских частиц (в этом случае галактика называется радиогалактикой), а в третьих, внешне таких же галактиках, активность ядра остается очень слабой (к последним относится и наша Галактика).

В 1998 году появилось сообщение об открытии самого близкого квазара в центре инфракрасной галактики Маркарян 231, расположенной от нас на расстоянии всего 500 миллионов световых лет. Этот квазар проявляет себя как компактный радиоисточник, возраст его оценивают всего в миллион лет. Через несколько миллионов лет его излучение раздует окружающее газообразное вещество, и светимость квазара резко возрастет.

Общее количество квазаров ярче 20m звездной величины оценивают в сто тысяч.



Первый квазар, линзирующий удаленную галактику

Ранее журнал «Биржевой лидер» писал о том, что ученые смогли найти первый квазар, который линзирует удаленную от него галактику. В рамках проводимого исследования, астрономы из международной команды ученых США, Германии и Швейцарии обнаружили необычный квазар. Как известно, квазары представляют собой космические объекты, которые отличаются высокой светимостью, которая по сути больше нигде во Вселенной не встречается. Квазары расположены прямо в центре галактики рядом со сверхмассивными черными дырами, и по яркости они могут превосходить все звезды галактики.

Изображение

Согласно новой теории относительности Эйнштейна, в случае если объект имеет большую массу (как например, галактика или скопление галактик) и размещается вдоль линии визирования с наблюдаемой отдаленной галактикой, то исходящий от последней свет будет несколько искривляться под действием силы гравитационного поля. Данный эффект подобен тому, как линза искривляет свет, — передают эксперты раздела «Новости науки» издания для инвесторов «Биржевой лидер». Для того чтобы найти прямолинзирующий квазар, ученые просмотрели весь каталог спектров объектов, который был создан еще в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey. Наиболее подходящим космическим объектом был выбран квазар SDSS J0013 +1523, расположенный примерно в 1,6 миллиардах световых лет от Земли. При помощи десятиметрового телескопа из обсерватории Кек астрономы смогли подтвердить теорию о том, что квазар действительно способен усиливать свет отдаленной от него галактики, в том числе и расположенной за ним на расстоянии в 7,5 миллиардов световых лет от поверхности нашей планеты, — констатируют эксперты раздела «Новости Науки» издания для инвесторов «Биржевой лидер».

Хаббл сделал снимок самого древнего квазара Вселенной

Как передают эксперты раздела «Новости науки» издания для инвесторов «Биржевой лидер», слово «квазар» представляет собой аббревиатуру следующей фразы — «квазизвездный радиоисточник». На ночном небе такие объекты похожи на простые звезды. Однако на самом деле квазары являют собой чуть ли не самые мощные и активные ядра галактик. Их энергию питает огромный диск частиц, который окружает сверхмассивную черную дыру. Когда вещество данного диска падает внутрь, некоторые из известных нам квазаров, в том числе и самый древний из них, начинают испускать в окружающее их космическое пространство сверхбыстрые джеты (струи). На представленном тут снимке один из таких джетов отчетливо виден в образе облачной прожилки. Длина такой прожилки по сведениям ученых достигает 200 тысяч световых лет.

Стоит также отметить и то, что мощность, которая излучается квазарами, в сотни, а в некоторых случаях и в тысячи раз больше мощности всех вместе взятых звезд в нашей галактике. Все это делает квазары очень яркими, даже не будет ошибкой назвать их самыми яркими и мощными объектами во всем пространстве Вселенной. Запечатленный квазар на снимке также является самым ярким объектом на нашем ночном небе. Если бы расстояние от поверхности нашей планеты до него было равно тридцати световым годам (примерно в семь раз больше расстояния самой близкой к нам звезды – Проксима Центавра), то его яркость на нашем небе была бы подобна яркости Солнца, — констатируют эксперты раздела «Новости науки» издания для инвесторов «Биржевой лидер».

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: