Космический корабль «Чандра» и его компоненты. Авторы и права: НАСА/CXC/SAO и Дж. Воган.
Когда звезда рождается или умирает, или когда во Вселенной происходит любое другое очень энергичное явление, она испускает рентгеновские лучи, представляющие собой частицы света высокой энергии, невидимые невооруженным глазом. Эти рентгеновские лучи аналогичны тем, которые врачи используют для фотографирования сломанных костей внутри тела. Но вместо того, чтобы смотреть на тени, создаваемые костями, останавливающими рентгеновские лучи внутри человека, астрономы обнаруживают рентгеновские лучи, летящие в космосе, чтобы получить изображения таких событий, как черные дыры и сверхновые.
Изображения и спектры — диаграммы, показывающие распределение света от объекта на разных длинах волн — являются двумя основными способами, с помощью которых астрономы исследуют Вселенную. Изображения сообщают им, как выглядят вещи и где происходят определенные явления, а спектры сообщают им, сколько энергии имеют фотоны или частицы света, которые они собирают. Спектры могут подсказать им, как сформировалось событие, из которого они произошли. При изучении сложных объектов нужны как изображения, так и спектры.
Ученые и инженеры спроектировали рентгеновскую обсерваторию Чандра для обнаружения этих рентгеновских лучей. С 1999 года данные Чандры предоставили астрономам невероятно подробные изображения некоторых из самых драматических событий во Вселенной.
Формирующиеся и умирающие звезды создают взрывы сверхновых, которые выбрасывают химические элементы в космос. Чандра наблюдает, как газ и звезды падают в глубокое гравитационное притяжение черных дыр, и это свидетельствует о том, как газ, который в тысячу раз горячее Солнца, покидает галактики во взрывных ветрах. Он может видеть, когда гравитация огромных масс темной материи задерживает этот горячий газ в гигантских карманах.
НАСА спроектировало «Чандру» для вывода на орбиту вокруг Земли, потому что она не сможет наблюдать за этой деятельностью с поверхности Земли. Атмосфера Земли поглощает рентгеновские лучи, приходящие из космоса, что полезно для жизни на Земле, поскольку эти рентгеновские лучи могут нанести вред биологическим организмам. Но это также означает, что даже если НАСА разместит Чандру на самой высокой вершине горы, она все равно не сможет обнаружить рентгеновские лучи. НАСА нужно было отправить Чандру в космос.
Я астрофизик Смитсоновской астрофизической обсерватории, входящей в состав Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. Я работаю над Чандрой еще до ее запуска 25 лет назад, и было приятно увидеть, что обсерватория может рассказать астрономам о Вселенной.
Слева — сверхновая Кассиопея А. Размер изображения составляет около 19 световых лет, и разные цвета на изображении обозначают разные химические элементы (красный означает кремний, желтый — серу, голубой — кальций, фиолетовый — железо, синий — высокую энергию). Точка в центре может быть остатком нейтронной звезды взорвавшейся звезды. Справа показаны сталкивающиеся галактики-антенны, образующие гигантскую структуру диаметром около 30 000 световых лет. Фото: Рентгеновский центр Чандра.
Сверхмассивные черные дыры и их родительские галактики
Астрономы обнаружили в центрах всех галактик сверхмассивные черные дыры, масса которых от десяти до 100 миллионов раз превышает массу нашего Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры в основном мирно сидят там, и астрономы могут обнаружить их, наблюдая за гравитационным притяжением, которое они оказывают на близлежащие звезды.
Но иногда в эти черные дыры падают звезды или облака, что активирует их и заставляет область, близкую к черной дыре, испускать большое количество рентгеновских лучей. После активации их называют активными ядрами галактик, АЯГ или квазарами.
Мои коллеги и я хотели лучше понять, что происходит с родительской галактикой, когда ее черная дыра превращается в АЯГ. Мы выбрали одну галактику, ESO 428-G014, для изучения с помощью Чандры.
АЯГ может затмить свою родительскую галактику, а это означает, что от АЯГ исходит больше света, чем от всех звезд и других объектов в родительской галактике. АЯГ также выделяет много энергии в пределах своей родительской галактики. Этот эффект, который астрономы называют обратной связью, является важным компонентом для исследователей, создающих модели, моделирующие эволюцию Вселенной с течением времени. Но мы до сих пор не совсем знаем, какую роль играет энергия АЯГ в формировании звезд в родительской галактике.
К счастью, изображения «Чандры» могут дать важную информацию. Я использую вычислительные методы для создания и обработки изображений обсерватории, которые могут рассказать мне об этих АЯГ.
Активная сверхмассивная черная дыра в ESO 428-G014 излучает рентгеновские лучи, которые освещают большую территорию, простирающуюся на расстояние до 15 000 световых лет от черной дыры. Базовое изображение ESO 428-G014, которое я создал с помощью данных Чандры, говорит мне, что область вблизи центра является самой яркой и что существует большая вытянутая область рентгеновского излучения.
Те же данные, но с несколько более высоким разрешением, показывают две отдельные области с высоким уровнем рентгеновского излучения. Есть «голова», охватывающая центр, и слегка изогнутый «хвост», идущий вниз от этой центральной области.
Я также могу обрабатывать данные с помощью алгоритма адаптивного сглаживания, который повышает разрешение изображения и создает более четкое представление о том, как выглядит галактика. На снимке видны облака газа вокруг яркого центра.
Моя команда смогла увидеть некоторые способы взаимодействия АЯГ с галактикой. На изображениях видны ядерные ветры, проносящиеся по галактике, плотные облака и межзвездный газ, отражающий рентгеновский свет, а также струи, испускающие радиоволны, которые нагревают облака в галактике.
Эти изображения подробно учат нас тому, как работает этот процесс обратной связи и как измерить, сколько энергии выделяет АЯГ. Эти результаты помогут исследователям создать более реалистичное моделирование того, как развивается Вселенная.
Следующие 25 лет рентгеновской астрономии
В 2024 году исполняется 25 лет с тех пор, как Чандра начала наблюдения за небом. Мои коллеги и я по-прежнему рассчитываем на то, что «Чандра» ответит на вопросы о происхождении Вселенной, на которые не способен ни один другой телескоп.
Предоставляя астрономам рентгеновские данные, данные «Чандры» дополняют информацию космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», давая астрономам уникальные ответы на открытые вопросы астрофизики, например, откуда взялись сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в центрах всех галактик. от.
Для решения этого конкретного вопроса астрономы использовали Чандру для наблюдения за далекой галактикой, впервые обнаруженной космическим телескопом Джеймса Уэбба. Эта галактика излучала свет, захваченный Уэббом 13,4 миллиарда лет назад, когда Вселенная была молодой. Рентгеновские данные «Чандры» выявили яркую сверхмассивную черную дыру в этой галактике и предположили, что сверхмассивные черные дыры могут образоваться в результате коллапса облаков в ранней Вселенной.
Четкая визуализация сыграла решающую роль в этих открытиях. Но ожидается, что Чандра просуществует еще всего 10 лет. Чтобы продолжить поиск ответов, астрономам придется начать проектирование рентгеновской обсерватории «Супер Чандра», которая могла бы прийти на смену Чандре в ближайшие десятилетия, хотя НАСА еще не объявило о каких-либо твердых планах сделать это.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
