В концепции этого художника сверхмассивная черная дыра, окруженная тором газа и пыли, изображена в четырех различных длинах волн света. Видимый свет (вверху справа) и низкоэнергетические рентгеновские лучи (внизу слева) блокируются тором; Инфракрасное излучение (вверху слева) рассеивается и переизлучается; и некоторые высокоэнергетические рентгеновские лучи (внизу справа) могут проникать через тор. Изображение предоставлено: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Несколько телескопов НАСА недавно помогли ученым искать в небе сверхмассивные черные дыры, которые в миллиарды раз тяжелее Солнца. Новый поиск уникален, поскольку с такой же вероятностью можно было обнаружить как массивные черные дыры, скрытые за густыми облаками газа и пыли, так и те, которые таковыми не являются.
Астрономы полагают, что каждая крупная галактика во Вселенной имеет в центре сверхмассивную черную дыру. Но проверить эту гипотезу сложно, поскольку исследователи не могут надеяться сосчитать миллиарды или даже триллионы сверхмассивных черных дыр, которые, как считается, существуют во Вселенной. Вместо этого им приходится экстраполировать меньшие выборки, чтобы узнать больше о более крупной популяции. Точное измерение доли скрытых сверхмассивных черных дыр в данной выборке помогает ученым лучше оценить общее количество сверхмассивных черных дыр во Вселенной.
Новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal, показало, что около 35% сверхмассивных черных дыр сильно затемнены, а это означает, что окружающие облака газа и пыли настолько толсты, что блокируют даже низкоэнергетические рентгеновские лучи.
Сопоставимые исследования пока показали, что менее 15% сверхмассивных черных дыр скрыты таким образом. Ученые полагают, что фактическое разделение должно быть ближе к 50/50, исходя из моделей роста галактик. Если наблюдения по-прежнему будут указывать на то, что значительно меньше половины сверхмассивных черных дыр скрыты, ученым придется скорректировать некоторые важные представления об этих объектах и их роли в формировании галактик.
Скрытое сокровище
Хотя черные дыры по своей природе темны — даже свет не может избежать их гравитации — они также могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной: когда газ вытягивается на орбиту вокруг сверхмассивной черной дыры, как вода, вращающаяся вокруг водостока, чрезвычайная гравитация создает такую сильное трение и нагрев, что газ достигает сотен тысяч градусов и сияет настолько ярко, что может затмить все звезды в окружающей галактике.
Облака газа и пыли, окружающие и заполняющие яркий центральный диск, могут принимать форму тора или бублика. Когда отверстие бублика обращено к Земле, внутри него виден яркий центральный диск; Если пончик виден с края, диск скрыт.
Большинство телескопов могут относительно легко обнаружить сверхмассивные черные дыры спереди, но не с края. Однако есть одно исключение, которым воспользовались авторы новой работы: тор поглощает свет от центрального источника и переизлучает свет более низкой энергии в инфракрасном диапазоне (длины волн немного длиннее, чем может воспринимать человеческий глаз). . По сути, пончики светятся в инфракрасном свете.
Эти длины волн света были обнаружены инфракрасным астрономическим спутником НАСА (IRAS), который работал в течение десяти месяцев в 1983 году и находился под управлением Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. IRAS, обзорный телескоп, который снимал все небо, смог увидеть инфракрасное излучение облаков, окружающих сверхмассивные черные дыры. Самое главное, он мог одинаково хорошо обнаруживать черные дыры как с края, так и спереди.
Для заданной плотности столбца на линии прямой видимости на каждой панели показана доля обнаруженного жесткого потока 14–195 кэВ по отношению к выходящему потоку при минимальной плотности столбца (NH,0), допускаемой каждой моделью. Изображение предоставлено: Астрофизический журнал (2024 г.). DOI: 10.3847/1538-4357/ad8236
Первоначально IRAS захватила сотни целей. Оказалось, что некоторые из них не были сильно затемненными черными дырами, а скорее галактиками с высокой скоростью звездообразования, которые излучают аналогичный инфракрасный свет. Поэтому авторы нового исследования использовали наземные телескопы видимого света, чтобы идентифицировать эти галактики и отделить их от скрытых черных дыр.
Чтобы подтвердить наличие сильно скрытых черных дыр на краю, исследователи полагались на NuSTAR НАСА (Ядерная спектроскопическая телескопическая матрица), рентгеновскую обсерваторию, также управляемую Лабораторией реактивного движения. Рентгеновские лучи испускаются некоторыми из самых горячих материалов вокруг черной дыры. Рентгеновские лучи более низкой энергии поглощаются окружающими облаками газа и пыли, в то время как рентгеновские лучи более высокой энергии, наблюдаемые NuSTAR, могут проникать в облака и рассеиваться из них. Обнаружение этих рентгеновских лучей может занять несколько часов наблюдений, поэтому ученым, работающим с NuSTAR, сначала понадобится такой телескоп, как IRAS, который подскажет им, где искать.
«Меня поражает, насколько полезными оказались IRAS и NuSTAR для этого проекта, особенно несмотря на то, что IRAS работает уже более 40 лет», — сказал руководитель исследования Питер Бурман, астрофизик из Калифорнийского технологического института в Пасадене, Калифорния. «Я думаю, это показывает историческую ценность архивов телескопов и преимущество совместного использования нескольких инструментов и длин волн света».
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и ключевых результатах исследований.
Численное преимущество
Определение количества скрытых черных дыр по сравнению с нескрытыми может помочь ученым понять, почему эти черные дыры становятся такими большими. Если они растут, поглощая материал, значительное количество черных дыр должно быть окружено и, возможно, скрыто плотными облаками. Бурман и его соавторы говорят, что их исследование подтверждает эту гипотезу.
Кроме того, черные дыры влияют на галактики, в которых они живут, в первую очередь, влияя на рост галактик. Это связано с тем, что черные дыры, окруженные массивными облаками газа и пыли, могут поглощать большие, но не бесконечные количества материала. Когда слишком много падает на черную дыру, черная дыра начинает выплевывать излишки и выбрасывать их обратно в галактику. Это позволяет газовым облакам внутри галактики, где формируются звезды, рассеиваться, замедляя скорость звездообразования там.
«Если бы у нас не было черных дыр, галактики были бы намного больше», — сказал Пошак Ганди, профессор астрофизики в Университете Саутгемптона в Великобритании и соавтор нового исследования. «Поэтому, если бы в нашей галактике Млечный Путь не было сверхмассивной черной дыры, на небе могло бы быть гораздо больше звезд. Это лишь один пример того, как черные дыры могут влиять на эволюцию галактики».
