Пожиратели звезд: «Джеймс Уэбб» обнаружил дремлющие черные дыры в «пыльных» галактиках

Черные дыры невидимы и при этом не похожи одна на другую. Начать работу по их классификации помог телескоп «Джеймс Уэбб».

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Астрономы из Массачусетского технологического института, Колумбийского университета и других организаций использовали космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) NASA, чтобы заглянуть сквозь пыль соседних галактик и увидеть последствия пиршества черной дыры.

В работе, опубликованной в Astrophysical Journal Letters , исследователи сообщают, что впервые JWST зафиксировал несколько событий приливных разрушений (Tidal Disruption Events) — случаев, когда черная дыра в центре галактики притягивает ближайшую звезду и разрывает ее на куски, выделяя при этом огромное количество энергии.

С 1990-х годов ученые наблюдали признаки около 100 событий приливного разрушения (TDE), в основном в виде рентгеновского или оптического излучения, которое приходило из относительно чистых от космической пыли галактик. Но, как предположили исследователи Массачусетского технологического института, во Вселенной может происходить гораздо больше событий, приводящих к разрушению звезд, которые скрываются в пыльных, закрытых газовыми облаками галактиках.

В своей предыдущей работе группа обнаружила, что большая часть рентгеновского и оптического излучения, испускаемого TDE, может быть затенена галактической пылью и, следовательно, может остаться незамеченной традиционными рентгеновскими и оптическими телескопами. Однако этот же всплеск излучения может нагреть окружающую пыль и генерировать сигналы в инфракрасной части спектра.

Исследователи использовали JWST — самый мощный в мире инфракрасный детектор — для изучения сигналов от четырех «пыльных» галактик, где, как они предполагали, происходили разрушительные приливные процессы. В пыли аппарат обнаружил явные следы аккреции черной дыры — процесса, при котором вещество, например звездные обломки, вращается вокруг черной дыры и в конечном итоге падает в нее.

В совокупности наблюдения подтверждают, что приливное разрушение действительно произошло в каждой из четырех наблюдаемых галактик. Более того, исследователи пришли к выводу, что эти четыре события были вызваны не активными черными дырами, а, скорее, «спящими», которые практически не проявляли активности, пока в зоне их гравитации случайно не оказывалась неосторожная звезда.

Новые результаты подчеркивают потенциал JWST для детального изучения ранее скрытых приливных явлений. Они также помогают ученым выявить ключевые различия в условиях космической среды вокруг активных и спящих черных дыр.

Это первые наблюдения JWST за приливными явлениями, и они совсем не похожи на то, что мы когда-либо видели раньше. Мы узнали, что эти явления действительно обусловлены аккрецией черных дыр, и они не похожи на среду вокруг обычных активных черных дыр. Теперь мы можем изучать, как на самом деле выглядит эта среда спящих черных дыр, и это круто!Меган Мастерсонаспирантка Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института, ведущий автор исследования.

Увидеть свет

Новое исследование расширяет предыдущий опыт группы с использованием другого инфракрасного детектора — миссии NASA Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE). Используя алгоритм, разработанный соавторами из Колумбийского университета, группа проанализировала десятилетние данные поиска инфракрасных транзиентов — коротких всплесков инфракрасной активности от обычно спокойных галактик, которые могли бы быть сигналами кратковременного пробуждения черной дыры и поглощения ею «зазевавшейся» звезды. В ходе этого поиска было обнаружено около десятка сигналов, которые, вероятно, были вызваны приливным возмущением.

По словам Меган Мастерсон, в этом исследовании астрономы обнаружили 12 источников, которые выглядят точь-в-точь как приливные волны. Сигналы были очень энергичными, а галактики до этого не выглядели активными, поэтому велика вероятность того, что это были результатом внезапного приливного ветра. Но прямых доказательств TDE у астрономов не было.

Используя гораздо более высокую чувствительность JWST, исследователи надеялись распознать ключевые «спектральные линии» или инфракрасный свет на определенных длинах волн, которые могли бы служить четкими отпечатками состояний, связанных с событием приливного возмущения. Мастерсон отмечает, что с NEOWISE глаза как будто видят только красный или синий свет, тогда как с JWST они видят всю радугу.

Достоверный сигнал

В своей новой работе группа специально искала пик в инфракрасном диапазоне, который может быть вызван только аккрецией на черную дыру — процессом, при котором вещество притягивается к черной дыре во вращающемся газовом диске. Этот диск испускает огромное количество излучения, настолько интенсивного, что оно может выбивать электроны из атомов. В частности, такие процессы аккреции могут выбивать несколько электронов из атомов неона, и образующийся ион может совершить переход, испуская инфракрасное излучение на очень специфической длине волны, которую может обнаружить JWST. Во Вселенной нет ничего, что могло бы возбудить этот газ до таких энергий, за исключением аккреции черных дыр.

Исследователи искали этот неопровержимый сигнал в четырех из 12 ранее отобранных ими галактик-кандидатов, в которых могло происходить приливное разрушение. Среди этих четырех сигналов:

• Ближайшее на сегодняшний день обнаруженное событие приливного разрушения, произошедшее в галактике, расположенной примерно в 130 миллионах световых лет от нас;
• Вероятное приливное разрушение, которое демонстрирует всплеск рентгеновского излучения;
• Сигнал, который мог быть вызван циркуляцией газа с невероятно высокой скоростью вокруг центральной черной дыры;
• Оптическая вспышка, которую ученые ранее считали сверхновой или коллапсом умирающей звезды, а не приливным разрушением.

Эти четыре сигнала были максимально близки к желаемому результату. Но лишь данные JWST помогли ученым однозначно утверждать, что это действительно TDE. Когда команда сфокусировала детектор «Джеймса Уэбба» на каждом из четырех источников, она обнаружили характерные спектральные линии ионизированного неона. Эти измерения подтвердили, что аккреция черных дыр происходила во всех четырех галактиках.

Оставался вопрос: была ли аккреция сиюминутным явлением, вызванным приливным возмущением ненадолго проснувшейся и поглотившей неосторожную звезду черной дыры, или же эта аккреция была постоянным свойством «активных» черных дыр? В последнем случае вероятность того, что произошло приливное возмущение, была бы меньше.

Чтобы разобраться в дилемме, команда использовала данные JWST на другой длине волны инфракрасного света, указывающей на присутствие силикатов, то есть пыли, в галактике. Ученые картировали эту пыль в каждой из четырех галактик и сравнили полученные паттерны с паттернами активных галактик, которые содержат комковатые пылевые облака в форме «пончика» вокруг центральной черной дыры.

Мастерсон и ее коллеги заметили, что все четыре источника демонстрируют совершенно иные паттерны по сравнению с типичными активными галактиками. Это позволяет предположить, что черная дыра в центре каждой из галактик не активна, а находится в состоянии покоя. Если вокруг такой дремлющей черной дыры все-таки образовался аккреционный диск, то это ни что иное, как результат приливного разрушения.

Астрономы планируют искать и найти множество скрытых событий приливных разрушений с помощью NEOWISE, JWST и других инфракрасных телескопов. Они утверждают, что при достаточном количестве наблюдений TDE могут служить эффективными инструментами для изучения свойств черных дыр. Например, информация о том, насколько сильно разрушена звезда и насколько быстро происходит аккреция и поглощение ее обломков, может раскрыть фундаментальные свойства черной дыры, такие как ее масса, размер и скорость вращения.

Процесс поглощения черной дырой звездного материала длится достаточно долго. это не мгновенный процесс. И, надеюсь, мы сможем начать исследовать, сколько времени занимает этот процесс и как выглядит окружающая среда. Никто этого не знает, потому что мы только начали открывать и изучать эти явления.Меган Мастерсонаспирантка Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института, ведущий автор исследования.

Последние новости о жизни и слиянии черных дыр читайте здесь.

Поделиться