Сможет ли сверхмассивная черная дыра поглотить квазар
Во Вселенной можно найти весьма странные объекты и явления. Квазары заслуживают внимания, так как считаются одними из ярчайших объектов в видимом космическом пространстве. Ранее мы затрагивали эту тему в статье «Квазар – объект или явление?», но сегодня попытаемся ответить на необычный вопрос.
Вы уже множество раз могли слышать о жутких проделках черных дыр, их притягательности и аппетитах. В конце концов, даже свет не способен вырваться, если перешагнул за черту горизонта событий. Черные дыры бывают активными и спящими. По сути, их отличие состоит лишь в том, что у первых рядом присутствует достаточное количество материала для питания.
Когда сверхмассивная черная дыра в галактическом центре впитывают окружающую материю, то вокруг нее формируется аккреционный диск. Заряженные частицы в этом диске вращаются, ускоряются и высвобождают мощные лучи света. Добавим сюда еще сильное магнитное поле от сверхмассивной черной дыры и получим еще больший уровень яркости (самый яркий известный квазар превосходит солнечную яркость в 600 трлн. раз).
По сути, именно это излучение вращающегося материала на аккреционном диске у активной сверхмассивной черной дыры называют квазаром (квазизвездный радиоисточник). То есть, это не объект рядом со сверхмассивной черной дырой, а как бы последствия ее прожорливости.
Квазар на удаленности в 12.5 миллиардов световых лет сияет возле молодой галактики (12 миллиардов световых лет). Приборы ALMA уловили ионизированный углерод (зеленый) и диск с формированием звезд (синий)
Теперь вы могли понять, почему вопрос звучит немного странно. Квазары возникают по причине активного поглощения сверхмассивной черной дырой материала вокруг. Так что ответ на поставленный вопрос будет отрицательным.
Однако можно сказать, что сверхмассивная черная дыра способна заглушить яркость своего квазара, если у нее закончится «пища». Эту ситуацию наблюдали исследователи с помощью Слоановского цифрового небесного обзора. За квазаром SDSS J1011 + 5442 следили около 12 лет, отмечая изменения в уровне его светимости. За последний десяток лет ученые отметили 50-кратное падение яркости. Полагают, что все дело именно в том, что сверхмассивная черная дыра перестала получать материал для поглощения.
Квазары и чёрные дыры
Чёрные дыры и квазары – это два довольно удивительных и мало изученных объекта в нашей Вселенной, которые довольно подробно изучаются в современной науке. Кроме всего прочего, выяснилось, что квазары и чёрные дыры имеют весьма прочную связь.
Естественно, вы никак не сможете увидеть чёрную дыру в обычный телескоп. Но бьюсь об заклад что как только ваши друзья узнают, что вы занимаетесь астрономией, они тотчас же станут вам задавать вопросы о чёрных дырах.
Проникнуть в чёрную дыру можно, а вот вылететь из неё – абсолютно невозможно, как бы вы сильно этого не хотели. У вас не будет времени даже для того чтобы что-нибудь крикнуть. Поскольку огромное давление вмиг раздавит вас.
Чёрная дыра – это объект во Вселенной, обладающий настолько колоссальной гравитацией, что из неё не могут выбраться даже лучи света; как раз поэтому мы и не можем увидеть чёрные дыры.
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.
Любое тело, попавшее в чёрную дыру, должно будет выработать энергии больше, чем оно производило когда-либо, чтобы выбраться из этой дыры. Официальное название данной “энергии” – скорость убегания (escape velocity).
Проектировщики ракет под термином “скорость убегания” подразумевают скорость, с которой должна лететь ракета или любой другой объект, для того чтобы преодолеть притяжение Земли и выйти в космическое пространство. Подобным образом этот термин применяется для любого тела во Вселенной (т.е. как скорость необходимая для преодоления притяжения какого-либо космического тела).
На Земле скорость убегания (или, правильнее, вторая космическая скорость) равняется 11 км/с. Для тел с более слабой гравитацией необходима меньшая скорость (допустим, на Марсе она составляет около 5 км/с), а для планет с более сильной гравитацией – большая (например, на Юпитере она равняется 61 км/с).
Но лидером Вселенной по скорости убегания является, и всегда будет таковой, чёрная дыра. Её гравитация настолько огромна, что для её преодоления необходима скорость убегания, свыше скорости света (т.е. больше 300 000 км/с). Именно поэтому никакой объект в мире не сможет вырваться из чёрной дыры, даже свет.
Черная дыра и квазар
Черная дыра и квазар – это две самые интригующие тайны Вселенной. Никто с точностью не может сказать, что это такое, зачем они существуют и какие происходят процессы внутри них.
Квазар не может существовать без черной дыры, в свою очередь, черная дыра – вполне может обойтись без квазара. Черные дыры классифицируют на три основных типа: малые (вес не превышает массу обычной звезды), сверхмассивные (масса таких объектов превышает массу миллиона или даже миллиарда масс солнца) и промежуточные, открытые в 1999 году (масса их варьируется и составляет примерно 500-1000 масс солнца). Все они имеют настолько большую массу, что поглощают даже световые лучи. Тело, которое попало в горизонт событий (граница черной звезды), сможет вырваться, если только разовьет скорость убегания свыше скорости света 300 000 км/с, что невозможно.
Первая квазизвезда (так иногда именуют квазары) была зафиксирована в 60-х годах ХХ-го столетия Томасом А. Мэтьюзом и Аланом Сендиджем в созвездии Девы в обсерватории «Джорделл-Бэнк» (Манчестер, Британия). К середине 60-х было зафиксировано всего 5 квазаров, сейчас же их обнаружено более двухсот тысяч. Само название квазар (quasi – лат. наподобие и star – англ. звезда) было придумано американским ученым китайского происхождения Хон-И Чу в мае 1964 года, и первоначально обозначало «звездноподобный радиоисточник». Сейчас доказано, что активно излучают только 10% из всех квазаров (радиогромкие квазары, излучающие в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах), все остальные 90% являются радиоспокойными.
Ученые на сегодняшний день не смогли полностью разгадать тайну существования квазизвезд – существует как минимум четыре теории.
Первая теория гласит, что квазары – это активное галактическое ядро.
Другие считают, что квазар – это будущая галактика. Яркий свет объясняется большим выбросом энергии при формировании активных ядер.
Третьи признают, что квазары — это точки, откуда берет начало материя во Вселенной и противопоставляются черным дырам.
Тем не менее ученые придерживаются мнения, что квазары – это аккреционный диск сверхмассивных черных дыр, состоящий из газа и энергии, выделяемый телами при попадании в черную дыру. Из-за притяжения к черной дыре, газ начинает сжиматься, нагреваться и светиться. Чаще всего такое излучение – радиоактивное. Благодаря такому излучению и орбитальной обсерватории Chandra получается зафиксировать местоположение черной дыры.
Излучение квазара настолько мощное, что сопоставимо с излучением 10 триллионов Солнц или 100 галактик Млечного Пути. Несмотря на это, доказано, что размеры одного квазара не превышают световой день (26 млрд км), что немногим больше размеров Солнечной системы. Благодаря небольшому размеру их излучение способно меняться в течение одного земного дня. Как правило, квазары затмевают свои материнские галактики и сопровождают черные дыры. В галактике Млечный путь расположилась Стрелец А* — сверхмассивная черная дыра, но квазара у нее нет. Чтобы Стрелец А* смог напитать квазар, черной дыре необходимо поглощать не менее десяти солнечных масс в один год.
Таким образом, модель «черная дыра-квазар» можно описать так:
Сверхплотный объект огромной массы — черная дыра — располагается во вращающемся газовом диске, центральная часть которого является источником сверхактивного электромагнитного излучения и выделения частиц, которые распространяясь вдоль оси диска, формируют два «рукава». Такой диск образуется из-за того, что черная звезда, притягивая к себе звезды, а иногда и целые галактики, уничтожает их. Газ, освободившийся при разрушении, притягивается к вращающейся оси, часть поглощается самой черной дырой, оставшаяся часть сжимается, нагревается и начинает светиться. Хотя это теория и хорошо изучена, она никак не объясняет не только свойства квазаров, но и процесс их формирования и эволюцию.
Спросите Итана: почему из чёрных дыр получаются такие яркие квазары?
Чёрные дыры – загадка Вселенной: регионы пространства, в которых очень большая масса концентрируется в таких небольших объёмах, что ничто не может убежать из её гравитационного притяжения, даже свет. Неважно, какую энергию или скорость наберёт объект внутри горизонта событий ЧД, он никогда не сможет вырваться и повлиять на Вселенную снаружи.
Именно это и делает вопрос нашего читателя интересным:
Как это возможно, что сверхмассивные чёрные дыры становятся квазарами, когда «пожирают» слишком много и слишком быстро? Можно было бы ожидать, что всю материю просто засосёт внутрь.
Это одно из самых странных явлений, которые можно представить: ЧД, объект, притяжения которого ничто не может избежать, порождает класс ярчайших из всех наблюдаемых объектов.
Квазары – очень интересные объекты, настолько интересные, что когда мы впервые увидели их, мы понятия не имели, что они из себя представляют. С развитием радиоастрономии мы начали открывать эти невероятно яркие источники радиоизлучения. Но посмотрев на них в других диапазонах – видимом, рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном, микроволновом – мы ничего не увидели. Почему-то это были источники именно радиоволн, точечные, концентрированные источники, не испускавшие никаких других сигналов. И мы назвали их квазизвёздными радиоисточниками (Quasi-Stellar Radio Sources, QSRS), или квазарами.
Со временем мы начали находить разные интересные свойства этих объектов:
• Почти все они расположены очень далеко, на огромных красных смещениях, превосходящих другие ограничения нашего поля зрения.
• Яркость в радиодиапазоне показывала, что там происходит что-то энергетически более мощное, чем всё ранее виденное нами.
• Объекты выглядели для нас по-разному в зависимости от того, как они были ориентированы по отношению к нам.
В результате наши инструменты наблюдений улучшились настолько, что мы начали открывать схожие черты у квазаров и других классов объектов: активных ядер галактик, блазаров и магнетаров.
Мы начали понимать, что в основе этих объектов лежит нечто общее: сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики каким-то образом питается материей и испускает огромное количество материала и радиоизлучения в космос. В итоге наши наблюдения продвинулись настолько, что мы смогли определить домашние галактики этих квазаров, даже расположенные в миллиардах световых лет от нас.
Но как это происходит? Как эти сверхмассивные чёрные дыры испускают такое количество энергии? Разве не должны они поглощать, засасывать всю материю и энергию? Ведь это та черта ЧД, которую мы все знаем: они всё засасывают, и спасения от них нет.
Причина, по которой квазары так себя ведут, состоит в возможности очень больших масс разгонять материю, находящуюся неподалёку, до огромных скоростей.
Материя формирует вокруг ЧД аккреционный диск, и разгоняется там до таких скоростей, что в результате излучает энергию на многих частотах, включая и радио. Можно видеть перпендикулярные аккреционному диску релятивистские струи, или джеты, ускоренно летящей материи, исторгаемой с релятивистскими скоростями. Источники излучения, называемые нами блазарами, ориентированы так, что один из джетов направлен на нас, а другие активные галактики ориентированы иначе.
Квазары обладают такой яркостью, поскольку перевариваемая им материя разрывается на части, а затем ускоряется под воздействием непреодолимой силы гравитации. Он выделают так много энергии, поскольку частицы материи реагируют друг с другом, разогреваются, и испускают излучение. Они видимы с таких огромных расстояний, поскольку в их сердце расположены ЧД массой в сотни миллионов или даже в миллиарды солнечной, и поглощают они материю массой в миллионы солнечных.
ЧД – это не пылесосы космоса. Они «бисквитные монстры» космоса, поскольку у них мимо рта пролетает полно потенциальной пищи.
Самый мощный квазар потребовал массивного зародыша черной дыры
Изображение квазара SMSS J215728.21-360215.1 из обзора VISTA Hemispheric Survey.
Christian Wolf et al./Publications of the Astronomical Society of Australia, 2018
Астрономы уточнили характеристики J2157-3602 — ультрамощного квазара с самой большой светимостью из известных. Он существовал во времена, когда возраст Вселенной составлял 1,247 миллиарда лет, и содержал черную дыру с массой 34 миллиарда масс Солнца. Такая черная дыра требует достаточно массивного зародыша, поэтому новые данные позволяют наложить ограничение на массы начальных черных дыр и скорости их роста. Препринт работы опубликован на портале arXiv.org.
В 2018 году, благодаря анализу данных наземного обзора SMSS (SkyMapper Southern Survey), а также космических обсерваторий WISE и Gaia, астрономы открыли ультрамощный квазар SMSS J215728.21-360215.1 (или J2157-3602 ). На момент открытия он обладал самой большой светимостью среди известных квазаров, которая составляла 6,95×10 14 светимостей Солнца. Поиск и определение свойств подобных экстремальных объектов крайне важны для понимания механизма роста сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной и ведутся непрерывно благодаря огромному количеству данных, накопленных в ходе наземных обзоров неба.
Чтобы уточнить расстояние до квазара и его параметры, астрономы во главе с Кристофером Онкеном (Christopher A. Onken) из Австралийского национального университета провели его спектроскопические исследования с помощью инструмента NIRES (Near-Infrared Echellette Spectrometer), установленного на одном из 10-метровых телескопов обсерватории Кека, и приемника X-shooter, установленного на одном из телескопов комплекса VLT (Very Large Telescope). Кроме того, ученые проанализировали изображения квазара, полученные в ближнем инфракрасном диапазоне приемником FIRE (Folded-port InfraRed Echellette instrument), установленном на одном из 6,5-метровых Магеллановых телескопов, и оптические снимки из обзора BLISS (Blanco Imaging of the Southern Sky Survey).
Оказалось, что заново определенное значение красного смещения для квазара, равное 4,692, соответствует возрасту Вселенной в 1,247 миллиарда лет. Предыдущее значение z составило 4,75: таким образом, квазар оказался «старше» на 20 миллионов лет. Масса центральной черной дыры, определенная методом реверберационного картирования, составила 34 ± 6 миллиардов масс Солнца, что делает ее одной из самых массивных из известных на сегодняшний день.
Новая оценка болометрической светимости J2157-3602 равна 1,6×10 48 эрг в секунду, что составляет 40 процентов от предельной (эддингтоновской), при этом нет свидетельств в пользу возможного сильного гравитационного линзирования квазара, а также оснований полагать, что его светимость (и, следовательно, масса черной дыры) переоценены. Таким образом, J2157-3602 действительно является квазаром с наибольшей светимостью из известных на сегодняшний день.
Необычность этого квазара заключается в том, что содержащаяся в нем черная дыра на столь далеком расстоянии требует достаточно массивного зародыша: это, в свою очередь, позволяет наложить самое сильное ограничение на массы начальных черных дыр и скорости их роста в ранней Вселенной. Менее массивные черные дыры, обнаруженные при z > 7, все еще устанавливают более строгие ограничения и идут вразрез с моделями. Ученые, однако, считают, что получение и накопление большого количества данных наблюдений за квазарами позволят достичь прогресса в понимании ранних этапов роста сверхмассивных черных дыр.
Ранее мы рассказывали о том, как астрономы обнаружили самый высокоскоростной отток вещества от квазара, где был найден рекордно далекий блазар и как ученые впервые идентифицировали источник нейтрино сверхвысоких энергий.