Исследователи космоса

Астрономы впервые сделали снимок поляризованного света и магнитных полей, окружающих Стрелец А* (Sgr A*), сверхмассивную черную дыру в центре Милли-Уэй.

Историческое наблюдение, проведенное с помощью телескопа горизонта событий (EHT), показало, что аккуратно упорядоченные магнитные поля имеют сходство с теми, которые окружают сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87 . Это удивительно, учитывая, что масса Sgr A* примерно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца, но M87* гораздо более чудовищна: ее масса эквивалентна примерно 6,5 миллиардам солнц.

Таким образом, новое наблюдение Sgr A* с помощью EHT предполагает, что сильные и хорошо организованные магнитные поля могут быть общими для всех черных дыр. Кроме того, поскольку магнитные поля M87* создают мощные потоки или «джеты», результаты указывают на то, что у Стрельца A* может быть собственная скрытая и слабая струя.

«Это новое изображение черной дыры в центре нашего Млечного Пути, Sgr A*, говорит нам о том, что вблизи черной дыры существуют сильные, искривленные и упорядоченные магнитные поля», — Сара Иссаун, соруководитель исследовательской программы НАСА «Хаббл». Научный сотрудник Эйнштейна из Центра астрофизики (CfI) Гарвардского и Смитсоновского института рассказал Space.com: «Некоторое время мы полагали, что магнитные поля играют ключевую роль в том, как черные дыры питают и выбрасывают материю в мощных струях.

«Это новое изображение, наряду с поразительно похожей структурой поляризации, наблюдаемой в гораздо большей и мощной черной дыре M87*, показывает, что сильные и упорядоченные магнитные поля имеют решающее значение для того, как черные дыры взаимодействуют с газом и материей вокруг них».

Сравнение магнетизма двух чудовищных черных дыр

EHT состоит из множества телескопов по всему миру, в том числе Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) , которые объединены в телескоп размером с Землю, который не новичок в творчестве научной истории.

В 2017 году EHT сделал первое изображение черной дыры и ее окружения, сфотографировав M87* , расположенную примерно в 53,5 миллионах световых лет от Земли. Через два года после того, как это изображение было представлено публике в 2019 году, коллаборация EHT снова представила первый взгляд на поляризованный свет вокруг черной дыры M87* .

Поляризация происходит, когда ориентационные волны света направлены под определенным углом. Магнитные поля, создаваемые плазмой, вращающейся вокруг черных дыр, поляризуют свет под углом 90 градусов к себе. Это означает, что наблюдение поляризации вокруг M87* позволило ученым впервые «увидеть» магнитные поля вокруг черной дыры.

В 2022 году за этим последовало открытие, что EHT также сфотографировал сверхмассивную черную дыру, расположенную гораздо ближе к Земле , всего в 27 000 световых лет от нее, Sgr A *, черную дыру, вокруг которой вылеплен Млечный Путь.

Теперь EHT наконец предоставил ученым изображение поляризованного света и, следовательно, магнитных полей вокруг этой сверхмассивной черной дыры.

«Поляризованный свет — это то, что учит нас о магнитных полях, свойствах газа и механизмах, которые происходят при питании черной дыры», — сказал Иссаун. «Учитывая дополнительные проблемы с изображением сержанта А*, честно говоря, удивительно, что нам вообще удалось получить поляризационное изображение!»

Эти проблемы возникли, несмотря на то, что Стрелец А* находится ближе к Земле, поскольку меньший размер сверхмассивной черной дыры Млечного Пути означает, что материал, который вращается вокруг нее со скоростью, близкой к световой, трудно визуализировать. M87* намного больше, а это означает, что материалу, движущемуся с той же скоростью, более или менее, требуется гораздо больше времени для завершения круга, что облегчает захват EHT.

Преодоление этих трудностей означает, что теперь можно провести сравнение между двумя черными дырами на противоположных концах спектра сверхмассивных черных дыр: одна с массой в миллиарды раз больше Солнца, а другая с массой в миллионы раз больше массы нашей звезды. Первоначальный вывод заключается в том, что эти магнитные поля удивительно похожи друг на друга.

«Это сходство было особенно удивительным, потому что M87* и Sgr A* — очень разные черные дыры », — сказал Иссаун. «M87* — это совершенно особенная черная дыра: ее масса составляет 6 миллиардов солнечных, она живет в гигантской эллиптической галактике и выбрасывает мощную струю плазмы, видимую на всех длинах волн.

«Sgr A*, с другой стороны, чрезвычайно распространен: его масса составляет 4 миллиона солнечных масс, он живет в нашей обычной спиральной галактике Млечный Путь и, похоже, вообще не имеет джета».

Иссаун объяснил, что, просто взглянув на поляризованную часть света, команда ожидала узнать о различных свойствах магнитных полей M87* и Sgr A*.

«Возможно, один будет более упорядоченным и сильным, а другой — более беспорядочным и слабым», — добавил Иссаун. «Однако, поскольку они снова выглядят одинаково, теперь совершенно ясно, что эти два разных класса черных дыр имеют очень схожую геометрию магнитного поля!»

Результаты показывают, что более глубокое исследование Sgr A* может раскрыть до сих пор не обнаруженные особенности.

Выпускает ли сверхмассивная черная дыра Млечного Пути скрытую струю?

Поляризация света, аккуратные и сильные магнитные поля Стрельца А*, а также тот факт, что они очень напоминают поле M87*, могут указывать на то, что наша центральная черная дыра до сих пор скрывала от нас секрет.

«Мы ожидаем, что сильные и упорядоченные магнитные поля будут напрямую связаны с запуском джетов, как мы наблюдали у M87*», — объяснил Иссаун. «Поскольку Стрелец А*, без наблюдаемой струи, похоже, имеет очень похожую геометрию, возможно, в Стрелке А* также скрывается струя, ожидающая, чтобы ее заметили, и это было бы очень интересно!»

Астрономы не сильно удивились, не увидев струи от Sgr A*. Это связано с тем, что M87* окружена таким количеством газа и пыли, что ежегодно поглощает эквивалент двух или трех солнц. Это означает, что у ее магнитных полей будет достаточно материала, который будет направляться к полюсам и выбрасываться в виде струй.

Стрелец А*, с другой стороны, потребляет так мало вещества, что это эквивалентно тому, как человек съедает одно зернышко риса каждый миллион лет . Эти наблюдения позволяют предположить, что у нашей сверхмассивной черной дыры все еще может быть струя; это просто трудно увидеть.

«Существует множество свидетельств возможных истечений и даже джетов, питаемых черной дырой в прошлом, однако струя в Sgr A* никогда не была изображена из-за сложной среды галактического центра», — сказал Иссаун. Jet станет главным открытием о нашей черной дыре и связью с ее историей в нашем Млечном Пути.

Она добавила, что процесс, который запускает эти струи, является самым энергичным механизмом во всей Вселенной, существенно влияющим на сердце галактик, например, очищая газ и пыль, необходимые для рождения звезд, и влияя на то, как галактики растут и развиваются. Это означает, что обнаружение струи, выходящей из Стрельца А*, повлияет на наше понимание того, как Млечный Путь эволюционировал и принял ту форму, которую астрономы наблюдают сегодня.

«Поразительно, что такой масштабный ущерб может быть нанесен таким маленьким ядром в галактике, и все это начинается на краю центральной черной дыры, где правят эти магнитные поля», — продолжил Иссаун.

Иссаун сказал, что благодаря этим двум поляризованным изображениям очень разных черных дыр у ученых теперь есть очень убедительные доказательства того, что сильные магнитные поля повсеместно распространены в этих космических титанах.

«Следующий шаг, — сказала она, — предполагает выяснение того, как эта геометрия связана с тем, как эти системы движутся, развиваются и вспыхивают».

EHT начнет свою кампанию по наблюдениям в 2024 году в начале апреля, и сотрудничество надеется получить многоцветные изображения знакомых черных дыр, таких как M87 * и Sgr A *, наблюдая их в разных частотах света.

«В следующем десятилетии усилия EHT следующего поколения направлены на добавление большего количества телескопов, чтобы заполнить наше виртуальное зеркало размером с Землю и проводить наблюдения намного чаще», — добавил Иссаун. «Благодаря этому расширению EHT мы сможем снимать поляризованные фильмы черных дыр и напрямую наблюдать динамику между черной дырой M87* и ее джетом».

Кроме того, исследователь CFI заявил, что EHT в конечном итоге может получить некоторую космическую помощь в наблюдении черных дыр и их динамики. Одной из предлагаемых миссий, которая могла бы помочь в этом, является концепция миссии Black Hole Explorer (BHEX), которая добавляет один космический телескоп к наземному массиву EHT.

«Считается, что скорость вращения черных дыр и их вращение напрямую связаны с тем, почему магнитные поля вблизи черной дыры выглядят так, как они выглядят, и с тем, как они могут запускать струи», — заключил Иссаун. «С помощью BHEX мы могли бы получить четкое изображение фотонного кольца черных дыр. Это фотонное кольцо кодирует свойства пространства-времени вокруг черной дыры, включая вращение черной дыры!»

Астрономы, возможно, разгадали тайну рождения самых ярких и горячих звезд в космосе.

Команда, возглавляемая исследователями из Института астрофизики Канарских островов (IAC), нашла подсказки, которые позволяют предположить, что голубые сверхгиганты создаются, когда две звезды в двойной системе сливаются по спирали и сливаются.

Голубые звезды-сверхгиганты B-типа как минимум в 10 000 раз ярче, в 2–5 раз горячее и в 16–40 раз массивнее Солнца. Голубые сверхгиганты настолько экстремальны, что ученые предположили, что они могли быть созданы во время редкой и короткой фазы звездной эволюции.

Проблема с этой идеей в том, что она должна означать, что голубые сверхгиганты — редкое зрелище, однако их обычно наблюдают по всей Вселенной. В результате их происхождение озадачивало ученых на протяжении десятилетий.

Есть ключ к разгадке природы голубых сверхгигантов: они существуют одни, без гравитационно-связанной звезды-компаньона. Это странно, потому что чем массивнее звезда, тем больше вероятность, что у нее будет спутник. Около 50% звезд размером с Солнце имеют спутника, но сопровождают около 75% гораздо более массивных звезд.

Однако голубые сверхгиганты, одни из самых массивных звезд, одиноки. Причиной этого может быть то, что голубые звезды-сверхгиганты существуют в системах, обитатели которых уже свернулись по спирали, столкнулись и слились.

Команда ученых приступила к исследованию этого вопроса, проанализировав 59 ранних голубых сверхгигантов B-типа, расположенных в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике Млечного Пути, и создав новые звездные модели.

«Мы смоделировали слияние эволюционировавших звезд-гигантов с их меньшими звездными спутниками по широкому диапазону параметров, принимая во внимание взаимодействие и смешивание двух звезд во время слияния», — сообщила в своем заявлении руководитель исследования и исследователь IAC Атира Менон. «Новорожденные звезды живут как голубые сверхгиганты на протяжении второй по продолжительности фазы жизни звезды, когда она сжигает гелий в своем ядре».

Результаты команды показывают, что голубые сверхгиганты попадают в эволюционный разрыв в традиционной звездной физике — фазу звездной эволюции, на которой астрономы не ожидали увидеть звезды. Вопрос в том, может ли это объяснить замечательные свойства голубых звезд-сверхгигантов? Кажется, ответ — да.

«Примечательно, что мы обнаружили, что звезды, рожденные в результате таких слияний, более успешно воспроизводят состав поверхности, особенно усиление азота и гелия, большей части образца, чем традиционные звездные модели», — сказал член команды и исследователь IAC Дэнни Леннон. «Это указывает на то, что слияния могут быть доминирующим каналом производства голубых сверхгигантов».

Новые результаты могут стать большим шагом на пути к решению давней проблемы, связанной с рождением голубых звезд-сверхгигантов, а также указывают на важность слияний двойных звезд в формировании звездного населения и общей формы галактик.

Следующим шагом в этом исследовании будет то, что команда переключит внимание с рождения голубых звезд-сверхгигантов на смерть этих массивных объектов. Ученые будут исследовать, как взрывы сверхновых голубых сверхгигантов создают нейтронные звезды и черные дыры.