Крупнейшие из когда-либо виденных струй черных дыр
Астрономы обнаружили самую большую пару струй черных дыр, когда-либо виденных, общей протяженностью 23 миллиона световых лет. Это эквивалентно расположению 140 галактик Млечного Пути вплотную друг к другу. "Эта пара не просто размером с Солнечную систему или Млечный путь; мы говорим в общей сложности о 140 диаметрах Млечного пути", - говорит Мартин Оэй, аспирант Калифорнийского технологического института и ведущий автор статьи Nature, в которой сообщается о результатах. "Млечный путь был бы маленькой точкой на фоне этих двух гигантских извержений".
Реактивная мегаструктура, получившая название Порфирион в честь гиганта из греческой мифологии, датируется тем временем, когда нашей Вселенной было 6,3 миллиарда лет, или менее половины ее нынешнего возраста - 13,8 миллиарда лет. Эти мощные потоки, суммарная мощность которых эквивалентна триллионам солнц, вырываются сверху и снизу сверхмассивной черной дыры в центре удаленной галактики.
До открытия Порфириона самой крупной подтвержденной реактивной системой был Алкионей, также названный в честь гиганта из греческой мифологии. Альционей, который был обнаружен в 2022 году той же командой, что и Порфирион, охватывает территорию, эквивалентную примерно 100 Млечным путям. Для сравнения, хорошо известная система струй Центавра А, ближайшая к Земле, охватывает 10 Млечных путей.
Последнее открытие позволяет предположить, что эти гигантские системы струй, возможно, оказали большее влияние на формирование галактик в молодой Вселенной, чем считалось ранее.
Порфирион существовал в раннюю эпоху, когда тонкие нити, соединяющие и питающие галактики, известные как космическая паутина, были расположены ближе друг к другу, чем сейчас. Это означает, что огромные струи, подобные Порфириону, охватывали большую часть космической сети по сравнению со струями в локальной Вселенной.
"Астрономы считают, что галактики и их центральные черные дыры эволюционируют совместно, и одним из ключевых аспектов этого является то, что струи могут распространять огромное количество энергии, которая влияет на рост галактик-хозяев и других галактик рядом с ними", - говорит соавтор Джордж Джорговски, профессор астрономии и обработки данных в Калифорнийском технологическом институте. "Это открытие показывает, что их воздействие может распространяться гораздо дальше, чем мы думали".
Открывая обширную популяцию
Система струй Порфириона - самая крупная из обнаруженных на данный момент во время обзора неба, который выявил шокирующее количество слабых мегаструктур: более 10 000. Эта массивная популяция гигантских струй была обнаружена с помощью европейского радиотелескопа LOFAR (LOw Frequency ARray).
Хотя до наблюдений LOFAR были известны сотни крупных реактивных систем, считалось, что они редки и в среднем меньше по размеру, чем тысячи систем, обнаруженных радиотелескопом.
"Гигантские струи были известны еще до того, как мы начали кампанию, но мы понятия не имели, что их окажется так много", - говорит Мартин Хардкасл, второй автор исследования и профессор астрофизики в Университете Хартфордшира в Англии.
"Обычно, когда мы получаем новые возможности для наблюдения, такие как сочетание широкого поля зрения LOFAR и очень высокой чувствительности к протяженным структурам, мы обнаруживаем что-то новое, но все равно было очень интересно наблюдать за появлением такого количества этих объектов".
Еще в 2018 году Оэй и его коллеги начали использовать LOFAR для изучения не струй черных дыр, а космической паутины тонких нитей, которая пересекает пространство между галактиками. Когда команда исследовала радиоизображения в поисках слабых нитей, они начали замечать несколько поразительно длинных струй.
"Когда мы впервые обнаружили гигантские струи, мы были весьма удивлены", - говорит Оэй, который также связан с Лейденской обсерваторией в Нидерландах. - Мы и понятия не имели, что их так много.
Чтобы систематически искать другие скрытые реактивные самолеты, команда изучала радиоизображения на глаз, использовала инструменты машинного обучения для сканирования изображений в поисках признаков приближающихся реактивных самолетов и заручилась помощью гражданских ученых по всему миру, чтобы продолжить изучение изображений.
Статья, описывающая их последнюю серию гигантских выбросов, содержащую более 8000 пар реактивных струй, была принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.
Скрываясь в прошлом
Чтобы найти галактику, из которой произошел Порфирион, команда использовала гигантский радиотелескоп Metrewave (GMRT) в Индии, а также дополнительные данные из проекта под названием Dark Energy Spectroscopic Instrument(DESI), который работает в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне. Наблюдения показали, что родиной струй является огромная галактика, примерно в 10 раз более массивная, чем наш Млечный Путь.
Затем команда использовала обсерваторию У. М. Кека на Гавайях, чтобы показать, что Порфирион находится на расстоянии 7,5 миллиардов световых лет от Земли. "До сих пор эти гигантские реактивные системы казались феноменом современной Вселенной", - говорит Оеи. "Если подобные отдаленные струи могут достигать масштабов космической паутины, то в какой-то момент космического времени активность черных дыр могла затронуть любое место во Вселенной", - говорит Оэй.
Наблюдения Кека также показали, что Порфирион возник из так называемой активной черной дыры в режиме излучения, в отличие от той, которая находится в реактивном состоянии.
Считается, что когда сверхмассивные черные дыры становятся активными — другими словами, когда их огромные силы притяжения притягивают и нагревают окружающий материал, — они либо испускают энергию в виде излучения, либо в виде струй. Черные дыры с излучающим режимом были более распространены в молодой, или отдаленной, Вселенной, в то время как черные дыры с реактивным режимом более распространены в современной Вселенной.
Тот факт, что Порфирион произошел из черной дыры с излучательным режимом, стал неожиданностью, поскольку астрономы не знали, что этот режим может создавать такие огромные и мощные струи. Более того, поскольку Порфирион находится в отдаленной Вселенной, где множество черных дыр излучательного типа, это открытие подразумевает, что там может быть обнаружено гораздо больше колоссальных джетов.
"Возможно, мы смотрим на верхушку айсберга", - говорит Оеи. "Наша съемка LOFAR охватила только 15% неба. И большинство из этих гигантских реактивных самолетов, вероятно, трудно обнаружить, поэтому мы считаем, что таких чудовищ гораздо больше".
Загадки, которые продолжают оставаться загадками
До сих пор неясно, как струи могут распространяться так далеко за пределы своих галактик-хозяев, не дестабилизируя их. "Работа Мартийна показала нам, что в окружающей среде этих гигантских источников нет ничего особенного, из-за чего они достигают таких больших размеров", - говорит Хардкасл, который является экспертом по физике струй черных дыр.
"Моя интерпретация заключается в том, что нам нужен необычайно продолжительный и стабильный процесс аккреции вокруг центральной сверхмассивной черной дыры, чтобы позволить ей быть активной так долго - около миллиарда лет — и гарантировать, что струи будут направлены в одном направлении на протяжении всего этого времени. Что мы узнаем из большого количества гигантов, так это то, что это, должно быть, относительно обычное явление".
В качестве следующего шага Oei хочет лучше понять, как эти мегаструктуры влияют на окружающую среду. Струи распространяют космические лучи, тепло, тяжелые атомы и магнитные поля по всему пространству между галактиками. Oei особенно заинтересована в том, чтобы выяснить, в какой степени гигантские струи распространяют магнетизм.
"Магнетизм на нашей планете позволяет жизни процветать, поэтому мы хотим понять, как она возникла", - говорит он. "Мы знаем, что магнетизм пронизывает космическую паутину, затем проникает в галактики и звезды и, в конечном счете, на планеты, но вопрос в том, где он начинается? Распространяют ли эти гигантские струи магнетизм по космосу?"
