|
Изучение черных дыр с высокой энергией
|
|
|
|
Когда звезда рождается или умирает, или когда во Вселенной происходит любое другое явление с высокой энергией, она испускает рентгеновские лучи, которые представляют собой высокоэнергетические световые частицы, невидимые невооруженным глазом. Эти рентгеновские снимки того же типа, что и те, которые врачи используют для фотографирования сломанных костей внутри тела. Но вместо того, чтобы смотреть на тени, создаваемые костями, которые останавливают рентгеновские лучи внутри человека, астрономы обнаруживают рентгеновские лучи, летящие в космосе, чтобы получить изображения таких явлений, 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 рассказывают им о том, как выглядят объекты и где происходят определенные явления, в то время как спектры говорят им о том, какой энергией обладают фотоны, или частицы света, которые они собирают. Спектры могут подсказать им, как сформировалось событие, из которого они произошли. При изучении сложных объектов им нужны как визуализация, так и спектры.
|
|
|
|
Ученые и инженеры разработали рентгеновскую обсерваторию "Чандра" для обнаружения этих рентгеновских лучей. С 1999 года данные "Чандры" позволяют астрономам получать невероятно подробные изображения некоторых из самых драматичных событий во Вселенной. Формирующиеся и умирающие звезды приводят к взрывам сверхновых, которые выбрасывают химические элементы в космос. Чандра наблюдает, как газ и звезды попадают в глубокие гравитационные поля черных дыр, и становится свидетелем того, как газ, который в тысячу раз горячее солнца, вырывается из галактик во взрывных потоках. Он может видеть, когда гравитация огромных масс темной материи удерживает этот горячий газ в гигантских карманах. НАСА спроектировало "Чандру" так, чтобы она вращалась вокруг Земли, потому что с поверхности Земли она не смогла бы наблюдать за этой активностью. Атмосфера Земли поглощает рентгеновские лучи, приходящие из космоса, что очень важно 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 горной вершине, она все равно не сможет обнаружить никаких рентгеновских лучей. НАСА необходимо было отправить "Чандру" в космос.
|
|
|
Я астрофизик в Смитсоновской астрофизической обсерватории, входящей в состав Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. Я работал над "Чандрой" еще до ее запуска 25 лет назад, и мне было приятно видеть, чему обсерватория может научить астрономов о Вселенной. Астрономы обнаружили в центрах всех галактик сверхмассивные черные дыры, масса которых в десять-100 миллионов раз превышает массу нашего Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры в основном находятся в спокойном состоянии, и астрономы могут обнаружить их, наблюдая за гравитационным притяжением, которое они оказывают на близлежащие звезды. Но иногда звезды или облака попадают в эти черные дыры, что активирует их и заставляет область вблизи черной дыры испускать много рентгеновских лучей. После активации они называются активными ядрами галактик, AGN, или квазарами. Мы с коллегами хотели лучше понять, что происходит с галактикой-хозяином, когда ее черная дыра превращается в сверхмалую галактику. Мы выбрали одну галактику, ESO 428-G014, для изучения с помощью телескопа Chandra.
|
|
|
|
Сверхзвуковая галактика может затмевать свою галактику-хозяина, что означает, что от сверхзвуковой галактики исходит больше света, чем от всех звезд и других объектов в галактике-хозяине. Сверхзвуковая галактика также выделяет много энергии в пределах своей галактики-хозяина. Этот эффект, который астрономы называют обратной связью, является важным компонентом для исследователей, которые разрабатывают модели эволюции Вселенной с течением времени. Но мы до сих пор точно не знаем, какую роль играет энергия сверхвысокочастотного ядра в формировании звезд в галактике, в которой оно находится. К счастью, снимки, полученные с телескопа "Чандра", могут дать важную информацию. Я использую вычислительные методы для создания и обработки изображений из обсерватории, которые могут рассказать мне об этих сверхзвуковых звездах.
|
|
|
|
Активная сверхмассивная черная дыра в ESO 428-G014 испускает рентгеновские лучи, которые освещают большую площадь, простирающуюся на расстояние до 15 000 световых лет от черной дыры. Основное изображение ESO 428-G014, которое я сгенерировал с использованием данных Chandra, показывает, что область вблизи центра является самой яркой и что там имеется большая вытянутая область рентгеновского излучения. На тех же данных, но с чуть более высоким разрешением, видны две отчетливые области с высоким уровнем рентгеновского излучения. Здесь есть "голова", которая охватывает центр, и слегка изогнутый "хвост", отходящий от этой центральной области. Я также могу обработать данные с помощью адаптивного алгоритма сглаживания, который позволяет получить изображение в еще более высоком разрешении и создает более четкую картину того, как выглядит галактика. На снимке видны облака газа вокруг яркого центра.
|
|
|
|
Моей команде удалось увидеть некоторые из способов взаимодействия AGN с галактикой. На снимках видны ядерные ветры, проносящиеся по галактике, плотные облака и межзвездный газ, отражающие рентгеновское излучение, и струи, испускающие радиоволны, которые нагревают облака в галактике. Эти снимки показывают нам, как работает этот процесс обратной связи в деталях и как измерить, сколько энергии выделяет сверхвысокочастотное излучение. Эти результаты помогут исследователям создать более реалистичные модели эволюции Вселенной. В 2024 году исполняется 25 лет с тех пор, как "Чандра" начал вести наблюдения за небом. Я и мои коллеги по-прежнему полагаемся на то, что "Чандра" ответит на вопросы о происхождении Вселенной, которые не может решить ни один другой телескоп. Предоставляя астрономам рентгеновские данные, данные "Чандры" дополняют информацию, полученную с космических телескопов "Хаббл" и "Джеймс Уэбб", и дают астрономам уникальные ответы на открытые вопросы астрофизики, такие как, например, откуда взялись сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в центрах всех галактик.
|
|
|
|
Для решения этого конкретного вопроса астрономы использовали телескоп "Чандра" для наблюдения за далекой галактикой, впервые обнаруженной космическим телескопом Джеймса Уэбба. Эта галактика излучала свет, зафиксированный телескопом "Уэбб" 13,4 миллиарда лет назад, когда Вселенная была молодой. Рентгеновские данные, полученные "Чандрой", выявили яркую сверхмассивную черную дыру в этой галактике и позволили предположить, что сверхмассивные черные дыры могут образовываться в результате коллапса облаков в ранней Вселенной. Для этих открытий решающее значение имела четкая визуализация. Но ожидается, что "Чандра" проработает всего 10 лет. Чтобы продолжить поиск ответов, астрономам необходимо будет приступить к проектированию рентгеновской обсерватории "супер Чандра", которая могла бы стать преемницей "Чандры" в ближайшие десятилетия, хотя НАСА пока не объявляло о каких-либо твердых планах на этот счет.
|
|
|
|
Источник
|
