Сверхмассивная чёрная дыра в далёкой галактике оказалась способна влиять на окружающее пространство на масштабе, значительно превышающем размеры самой галактики. Наблюдения показали, что мощный поток энергии от активного ядра распространяется примерно на 300 тысяч световых лет, воздействуя не только на галактическую среду, но и на пространство за пределами родительской галактики.
Объектом исследования стал квазар H1821+643, расположенный примерно в 3,4 миллиарда световых лет от Земли в направлении созвездия Дракона. В его центре находится сверхмассивная чёрная дыра, окружённая активно поглощаемым веществом. Исследователям удалось проследить последствия её активности в горячем газе на огромном расстоянии от центра системы.
Полученные результаты важны не только для изучения самих чёрных дыр. Они показывают, что центральный объект галактики способен передавать колоссальное количество энергии на расстояния, сопоставимые с масштабами галактических групп, и тем самым изменять условия в окружающем космическом пространстве.
Чёрная дыра, которая не только поглощает вещество
Чёрные дыры принято представлять как объекты, из которых ничто не может выйти после пересечения горизонта событий. Это действительно так для вещества и излучения, пересёкших горизонт событий. Однако окружающая чёрную дыру область может быть чрезвычайно активной.
Особенно это относится к сверхмассивным чёрным дырам, которые находятся в центрах галактик.
Если вокруг такой чёрной дыры имеется большое количество газа, пыли и другого вещества, оно начинает падать к центральному объекту. При этом вещество не обязательно сразу пересекает горизонт событий. Оно формирует вращающийся аккреционный диск, в котором газ сильно разогревается и излучает огромное количество энергии.
Часть энергии и вещества может покидать окрестности чёрной дыры в виде мощных потоков. Они способны распространяться далеко за пределы центральной области галактики.
Именно такой механизм лежит в основе наблюдаемой активности H1821+643.
Что такое H1821+643
H1821+643 относится к квазарам — чрезвычайно ярким активным ядрам галактик.
Квазар получает энергию благодаря процессам вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Вещество, движущееся по аккреционному диску, нагревается до очень высоких температур и становится источником интенсивного электромагнитного излучения.
Саму чёрную дыру непосредственно увидеть невозможно. Наблюдать можно окружающий её горячий газ, аккреционный диск, джеты и другие проявления активности.
В случае H1821+643 астрономов особенно заинтересовали потоки горячего газа, распространяющиеся на огромные расстояния.
Расстояние до объекта составляет около 3,4 миллиарда световых лет. Это означает, что наблюдаемое сегодня излучение покинуло систему миллиарды лет назад.
Энергия распространяется гораздо дальше галактики
Одним из наиболее важных результатов исследования стало определение масштаба воздействия чёрной дыры.
Воздействие потоков энергии распространяется примерно на 300 тысяч световых лет.
Для сравнения, диаметр Млечного Пути составляет порядка 100 тысяч световых лет. Таким образом, обнаруженный масштаб воздействия примерно втрое превышает характерный диаметр нашей Галактики.
При этом речь идёт не о материальном объекте, который имеет чёткую границу и просто перемещается через пространство. Исследователи наблюдали последствия распространения энергии и движения горячего газа в окружающей среде.
Эта энергия способна перемешивать, нагревать и приводить в движение газ далеко от центральной галактики.
Как учёные смогли обнаружить влияние чёрной дыры
Ключевую роль сыграл японский рентгеновский космический телескоп XRISM.
Он предназначен для исследования горячего газа во Вселенной в рентгеновском диапазоне и способен не только фиксировать интенсивность излучения, но и изучать его спектральные характеристики с высокой точностью.
Одним из важных индикаторов в данном случае стало излучение ионизированного железа.
Железо присутствует в горячем газе, окружающем активные галактические ядра. Его спектральные линии позволяют определить физические характеристики газа и движение вещества.
В частности, по изменениям спектральных линий можно определить скорость движения газа и степень его турбулентности.
Именно это позволило исследователям получить информацию о том, как энергия от центральной чёрной дыры передаётся окружающей среде.
Почему железо оказалось своеобразным маркером
В обычных условиях железо может находиться в различных состояниях, связанных с количеством электронов.
Вблизи активной сверхмассивной чёрной дыры газ настолько горячий и интенсивно облучается, что атомы железа теряют значительную часть электронов.
Возникает ионизированное железо, чьи спектральные линии можно регистрировать в рентгеновском диапазоне.
Если газ движется по направлению к наблюдателю или от него, его спектральные линии смещаются. По величине и характеру такого смещения можно определить движение газа.
Таким образом, астрономы получают возможность буквально измерять динамику невидимой для обычных оптических телескопов горячей среды.
Насколько мощным оказался поток
Исследование показало, что мощность потоков от сверхмассивной чёрной дыры примерно в 100 раз выше некоторых предыдущих оценок.
Энергия, переносимая этими потоками, соответствует суммарной энергии нескольких миллиардов взрывов сверхновых.
Это не означает, что в окрестностях H1821+643 произошли миллиарды сверхновых.
Такое сравнение используется для оценки масштаба энергии. Сверхновая является одним из наиболее мощных отдельных взрывных событий, происходящих в обычных звёздных системах, поэтому суммарную энергию процессов вокруг чёрной дыры удобно сопоставлять с огромным количеством таких взрывов.
Главное здесь не конкретное сравнение, а то, что энергия активного ядра способна воздействовать на межгалактическую среду на огромном расстоянии.
Почему это важно для галактик
Галактика — это не только звёзды.
Между звёздами находится большое количество газа. Он является одним из важнейших компонентов галактической эволюции, поскольку именно из холодного плотного газа формируются новые звёзды.
Если газ достаточно холодный и плотный, под действием гравитации он может сжиматься и образовывать новые звёзды.
Но сильный нагрев или перемешивание газа может затруднить этот процесс.
Поэтому активность сверхмассивной чёрной дыры способна воздействовать на звездообразование.
Это один из механизмов обратной связи между центральной чёрной дырой и галактикой.
Что такое обратная связь активного ядра
В астрофизике используется понятие «обратная связь активного ядра галактики».
Смысл заключается в том, что чёрная дыра не просто получает вещество от окружающей галактики. Её активность в свою очередь воздействует на окружающую среду.
Чем больше вещества поступает к чёрной дыре, тем активнее могут становиться процессы в аккреционном диске и связанные с ним выбросы энергии.
Эти выбросы нагревают окружающий газ, приводят его в движение и могут удалять его из некоторых областей.
В результате изменяется количество материала, доступного для дальнейшего образования звёзд.
Таким образом, центральная чёрная дыра может влиять на эволюцию галактики, хотя по размерам она ничтожно мала по сравнению с самой галактикой.
Чёрная дыра намного меньше области своего воздействия
Это один из наиболее интересных аспектов исследования.
Сама сверхмассивная чёрная дыра занимает чрезвычайно малую область пространства по сравнению с галактикой.
Однако энергия, выделяемая окружающим её веществом, может распространяться на сотни тысяч световых лет.
Получается своеобразный контраст: источник расположен в очень компактной центральной области, а последствия его активности распространяются на колоссальное расстояние.
Это можно сравнить с работой астрофизического усилителя: небольшой центральный объект через окружающий его аккреционный диск способен передавать энергию в пространство в масштабах, намного превышающих размеры самой системы.
Это не обычный джет
У сверхмассивных чёрных дыр часто наблюдаются релятивистские джеты — узкие потоки плазмы, движущиеся с огромными скоростями.
Однако обнаруженный в H1821+643 эффект связан с мощными потоками горячего газа и ветрами активного ядра.
Галактические ветры и узкие релятивистские джеты — физически связанные, но не идентичные явления.
Джет может представлять собой относительно узкий поток частиц, тогда как мощный ветер способен распространять энергию и импульс на более широкую область.
В исследовании особое внимание уделено именно воздействию ветра активной сверхмассивной чёрной дыры на окружающий горячий газ.
Почему астрономы называют это ветром
Слово «ветер» здесь не означает поток воздуха, конечно.
Речь идёт о движении плазмы и газа, выбрасываемых из окрестностей активного галактического ядра.
Такой ветер способен переносить энергию, массу и импульс.
Когда он сталкивается с окружающей средой, возникает турбулентное движение и нагрев газа.
Если поток достаточно мощный и длительный, его воздействие может распространяться далеко от центрального источника.
Воздействие выходит за пределы галактики
Особенно важен тот факт, что наблюдаемый эффект распространяется примерно на 300 тысяч световых лет.
Это уже не просто воздействие на центральную область галактики.
Газ на таких расстояниях относится к окружающей галактику среде и может находиться в пространстве между галактиками.
Таким образом, сверхмассивная чёрная дыра способна влиять не только на собственную галактику, но и на окружающую её космическую среду.
Это расширяет представление о роли активных ядер в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
Почему галактические группы особенно важны
Галактики редко существуют полностью изолированно.
Они объединяются в группы и скопления, внутри которых находится разреженный горячий газ.
Этот газ может занимать пространство, намного превышающее размеры отдельных галактик.
Если активное ядро способно передавать энергию этому газу, последствия его активности могут распространяться далеко за пределы самой галактики.
Поэтому исследование H1821+643 представляет интерес не только как исследование конкретного квазара. Оно помогает понять процессы обмена энергией между галактиками и окружающей их средой.
Что происходит с газом
Ветер от активного ядра передаёт окружающему газу энергию и импульс.
Газ начинает двигаться и становится более турбулентным.
Кроме того, он нагревается.
Нагретый газ ведёт себя иначе, чем холодный плотный газ, из которого могут формироваться звёзды.
Поэтому активность центральной чёрной дыры способна препятствовать определённым процессам звездообразования.
Это одна из причин, по которой астрономы считают обратную связь сверхмассивных чёрных дыр важным фактором эволюции галактик.
Чёрная дыра может одновременно помогать и мешать росту галактики
На первый взгляд активность чёрной дыры должна просто уничтожать окружающее вещество.
Однако реальная картина сложнее.
Сверхмассивная чёрная дыра получает питание от окружающего газа, но одновременно её активность способна нагревать и перемешивать этот же газ.
При определённых условиях это уменьшает скорость поступления холодного вещества к центру галактики и снижает темп образования новых звёзд.
Но нагретый газ со временем может охлаждаться.
Поэтому взаимодействие между чёрной дырой, галактикой и окружающей средой представляет собой динамический процесс, а не одноразовое событие.
Почему предыдущие оценки могли оказаться слишком низкими
Ранее оценить полную мощность таких потоков было сложно.
Для этого необходимо определить не только скорость газа, но и его плотность, температуру, пространственное распределение и характер движения.
Если какая-либо из этих величин известна недостаточно точно, итоговая оценка энергии может существенно отличаться от реальной.
Высокая спектральная точность XRISM позволила более подробно изучить движение горячего газа.
Именно поэтому новые данные привели к значительно большей оценке мощности потока.
Что даёт XRISM
XRISM — рентгеновская космическая обсерватория, созданная для исследования горячей и высокоэнергичной Вселенной.
Её особенно важная особенность заключается в возможности детально анализировать рентгеновские спектры.
Для астрономов это означает возможность изучать не только яркость источника, но и движение газа.
Если обычное изображение показывает, где находится горячий газ, спектр позволяет получить дополнительную информацию о его состоянии.
Для исследования потоков вокруг сверхмассивных чёрных дыр это имеет принципиальное значение.
Почему рентгеновский диапазон здесь незаменим
Газ в окрестностях активных галактических ядер может иметь температуру в миллионы градусов.
При таких условиях он излучает значительную часть энергии именно в рентгеновском диапазоне.
Оптические телескопы не могут полноценно исследовать такую среду.
Рентгеновские космические обсерватории позволяют регистрировать излучение горячей плазмы и определять её свойства.
Поэтому исследование H1821+643 стало возможным благодаря космическому наблюдению, проводимому за пределами атмосферы Земли.
Как чёрная дыра влияет на пространство вокруг себя
Важно не представлять ситуацию так, будто чёрная дыра просто выпускает энергию из горизонта событий.
Источником энергии служит главным образом вещество, находящееся в непосредственной окрестности чёрной дыры.
Когда газ падает в гравитационное поле компактного объекта, он преобразует часть своей энергии в излучение и кинетическую энергию потоков.
Таким образом, сверхмассивная чёрная дыра является центральным элементом чрезвычайно мощной системы переработки энергии, но наблюдаемые выбросы формируются за пределами горизонта событий.
Это принципиально для правильного понимания физики активных галактических ядер.
Связь между питанием чёрной дыры и выбросами энергии
Сверхмассивная чёрная дыра становится активной, когда в её окрестности имеется достаточно вещества для аккреции.
Газ постепенно теряет энергию и угловой момент, перемещаясь к центру.
При этом часть вещества в конечном итоге может быть поглощена чёрной дырой.
Но значительная часть энергии аккреции может передаваться излучению и потокам плазмы.
Поэтому чем интенсивнее идёт аккреция, тем более мощными могут становиться проявления активности ядра.
H1821+643 является примером чрезвычайно активной системы такого типа.
Возможное влияние на формирование звёзд
Звёзды образуются из относительно холодных и плотных облаков газа.
Если мощный поток от активного ядра нагревает окружающую среду, условия для конденсации газа меняются.
Кроме того, поток может перемешивать газ или вытеснять его из определённых областей.
В результате звездообразование может замедляться.
Именно поэтому сверхмассивные чёрные дыры рассматриваются не как пассивные объекты, расположенные в центре уже сформировавшихся галактик, а как активные участники их эволюции.
Эффект может распространяться на масштабы группы галактик
300 тысяч световых лет — это уже масштаб, на котором нельзя ограничиваться исключительно внутренней структурой одной галактики.
В окружающем пространстве могут находиться другие галактики, горячий межгалактический газ и другие компоненты крупномасштабной структуры.
Если энергия активного ядра действительно распространяется на такие расстояния, центральная чёрная дыра может изменять свойства среды, в которой существует целая группа галактик.
Это особенно важно для понимания того, каким образом энергия перераспределяется во Вселенной.
Новое представление о сверхмассивных чёрных дырах
Сверхмассивные чёрные дыры долгое время воспринимались прежде всего как конечные пункты движения вещества.
Газ падает внутрь, чёрная дыра растёт.
Но современные наблюдения показывают, что картина гораздо сложнее.
Активная чёрная дыра может одновременно:
- поглощать вещество;
- излучать огромное количество энергии;
- создавать мощные ветры;
- формировать релятивистские джеты;
- нагревать окружающий газ;
- перемешивать межзвёздную и межгалактическую среду;
- влиять на звездообразование.
В результате центральная чёрная дыра оказывается связана с эволюцией всей галактики.
Необычная роль объекта H1821+643
Особенность H1821+643 заключается в сочетании двух масштабов.
С одной стороны, источник энергии находится в непосредственной окрестности сверхмассивной чёрной дыры.
С другой — последствия её активности прослеживаются примерно на 300 тысяч световых лет.
Получается, что процессы, происходящие возле компактного центрального объекта, могут иметь последствия на расстояниях, в несколько раз превышающих размеры типичной спиральной галактики.
Именно это делает наблюдение особенно важным для понимания обратной связи активных галактических ядер.
Что означает открытие для будущих исследований
Полученный результат заставляет пересмотреть оценки того, насколько эффективно сверхмассивные чёрные дыры передают энергию окружающей среде.
Если подобные потоки окажутся характерным явлением для активных галактических ядер, их влияние необходимо будет учитывать при моделировании эволюции галактик и галактических групп.
Особенно важно понять, как часто такие мощные ветры возникают, сколько времени они существуют и насколько далеко распространяется их воздействие.
Не менее важен вопрос о том, как меняется поток со временем.
Чёрные дыры оказываются активными участниками эволюции Вселенной
Наблюдение H1821+643 показывает, насколько далеко могут распространяться последствия активности сверхмассивных чёрных дыр.
В центре далёкой галактики находится компактный объект, окружённый аккрецирующим веществом. В результате выделяется огромное количество энергии, которая затем передаётся окружающей плазме. Сформированный поток горячего газа распространяет влияние активного ядра примерно на 300 тысяч световых лет.
Оценка мощности оказалась примерно в 100 раз выше некоторых предыдущих оценок. Суммарный энергетический масштаб процесса сопоставим с энергией нескольких миллиардов сверхновых.
Главный вывод заключается в том, что сверхмассивная чёрная дыра не является просто компактным объектом, который поглощает окружающее вещество. Активность её аккреционного окружения способна передавать энергию на расстояния, намного превышающие размеры самой галактики, нагревать и перемешивать газ и тем самым влиять на условия, в которых формируются звёзды.
Для современной астрофизики это ещё одно свидетельство того, что эволюцию галактик невозможно рассматривать отдельно от процессов, происходящих возле их центральных сверхмассивных чёрных дыр.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
