12 мая на девяти одновременных пресс-конференциях по всему миру астрофизики показал первое изображение черной дыры в сердце Млечного Пути. Поначалу, каким бы удивительным оно ни было, старательно созданное изображение кольца света вокруг центральной темной ямы нашей галактики, казалось, просто доказывало то, что уже ожидали эксперты: сверхмассивная черная дыра Млечного Пути существует, она вращается и подчиняется закону Альберта Эйнштейна. общая теория относительности.
И все же, при ближайшем рассмотрении, вещи не совсем складываются.
По яркости бублика света исследователи оценили как быстро материя падает на Стрелец А* — название, данное центральной черной дыре Млечного Пути. Ответ: совсем не быстро. -- Забито до струйки, -- сказал Прия Натараджан, космолог из Йельского университета, сравнивает галактику со сломанной насадкой для душа. Почему-то только тысячная часть того, что впадает в Млечный Путь из окружающей межгалактической среды спускается вниз и в дыру. «Это обнажает огромную проблему, — сказал Натараджан. «Куда девается этот газ? Что происходит с потоком? Совершенно очевидно, что наше понимание роста черных дыр сомнительно».
За последнюю четверть века астрофизики осознали, какая тесная, динамичная связь существует между многими галактиками и черными дырами в их центрах. «В этой области произошли действительно огромные изменения, — говорит Рамеш Нараян, астрофизик-теоретик из Гарвардского университета. «Сюрпризом стало то, что черные дыры важны как формирователи и контролеры эволюции галактик».
Эти гигантские дыры — скопления материи настолько плотные, что гравитация не дает выйти даже свету — подобны двигателям галактик, но исследователи только начинают понимать, как они работают. Гравитация притягивает пыль и газ внутрь к галактическому центру, где они образуют вращающийся аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры, нагреваясь и превращаясь в раскаленную добела плазму. Затем, когда черная дыра поглощает эту материю (каплями или внезапными вспышками), энергия выплескивается обратно в галактику в процессе обратной связи. «Когда вы выращиваете черную дыру, вы производите энергию и выбрасываете ее в окружающую среду более эффективно, чем с помощью любого другого известного нам процесса в природе», — сказал он. Элиот Кватарт, астрофизик-теоретик из Принстонского университета. Эта обратная связь влияет на скорость звездообразования и характер газовых потоков по всей галактике.
Но исследователи имеют лишь смутные представления об «активных» эпизодах сверхмассивных черных дыр, которые превращают их в так называемые активные галактические ядра (АЯГ). «Каков спусковой механизм? Что такое выключатель? Это фундаментальные вопросы, на которые мы все еще пытаемся ответить», — сказал он. Кирстен Холл из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Известно, что звездная обратная связь, которая возникает, когда звезда взрывается как сверхновая, имеет тот же эффект, что и обратная связь АЯГ, но в меньшем масштабе. Эти звездные двигатели достаточно велики, чтобы управлять маленькими «карликовыми» галактиками, тогда как только гигантские двигатели сверхмассивных черных дыр могут доминировать в эволюции самых больших «эллиптических» галактик.
По размеру Млечный Путь, типичная спиральная галактика, находится посередине. Долгое время считалось, что в нашей галактике с несколькими очевидными признаками активности в центре преобладает звездная обратная связь. Но несколько недавних наблюдений показывают, что обратная связь AGN также формирует его. Изучая детали взаимодействия между этими механизмами обратной связи в нашей родной галактике — и решая такие загадки, как нынешняя тусклость Стрельца А*, — астрофизики надеются выяснить, как галактики и черные дыры совместно эволюционируют в целом. Млечный Путь «становится самой мощной астрофизической лабораторией», — сказал Натараджан. Служа микрокосмом, он «может содержать ключ».
Галактические двигатели
К концу 1990-х астрономы в целом признали наличие черных дыр в центрах галактик. К тому времени они могли видеть эти невидимые объекты достаточно близко, чтобы определить их массу по движению звезд вокруг них. А возникла странная корреляция: Чем массивнее галактика, тем тяжелее ее центральная черная дыра. «Это было особенно жестко, и это было совершенно революционно. Каким-то образом черная дыра разговаривает с галактикой», — сказал Тициана Ди Маттео, астрофизик из Университета Карнеги-Меллона.
Корреляция удивительна, если учесть, что черная дыра, какой бы большой она ни была, составляет ничтожную долю размера галактики. (Например, Стрелец A* весит примерно 4 миллиона солнц, а Млечный Путь имеет массу около 1.5 триллиона солнечных.) Из-за этого гравитация черной дыры с какой-либо силой притягивает только самые внутренние области галактики.
Мартину Рису, королевскому астроному Соединенного Королевства, обратная связь с AGN предложила естественный способ связать относительно крошечную черную дыру с галактикой в целом. Двумя десятилетиями ранее, в 1970-х, Рис правильно предположил, что сверхмассивные черные дыры мощность светящихся струй наблюдается в некоторых далеких, ярко светящихся галактиках, называемых квазарами. Он даже предложило, вместе с Дональдом Линден-Беллом, что черная дыра может объяснить, почему светится центр Млечного Пути. Могут ли это быть признаками общего явления, которое повсюду определяет размер сверхмассивных черных дыр?
Идея заключалась в том, что чем больше материи поглощает черная дыра, тем ярче она становится, а увеличенная энергия и импульс выбрасывают газ наружу. В конце концов внешнее давление останавливает попадание газа в черную дыру. «Это остановит рост. Таково было рассуждение», — сказал Риз. Или, говоря словами Ди Маттео, «черная дыра пожирает, а затем проглатывает». Очень большая галактика увеличивает вес центральной черной дыры, что затрудняет выброс газа наружу, поэтому черная дыра становится больше, прежде чем поглотить ее.
И все же мало кто из астрофизиков был убежден, что энергия падающего вещества может быть выброшена таким драматическим образом. «Когда я писал свою диссертацию, мы все были одержимы черными дырами как точкой невозврата — просто газом, который входит внутрь», — сказал Натараджан, который помог разработать первые модели обратной связи AGN в качестве аспиранта Риса. «Каждый должен был сделать это очень осторожно и осторожно, поскольку это было так радикально».
Подтверждение идеи обратной связи пришло несколько лет спустя в результате компьютерного моделирования, разработанного Ди Маттео и астрофизиками. Фолькер Спрингель и Ларс Хернквист. «Мы хотели воспроизвести удивительный зоопарк галактик, который мы видим в реальной Вселенной», — сказал Ди Маттео. Они знали основную картину: галактики изначально были маленькими и плотными в ранней Вселенной. Переведите часы вперед, и гравитация столкнет этих карликов вместе в сиянии захватывающих слияний, образуя кольца, водовороты, сигары и всевозможные промежуточные формы. Галактики растут в размерах и разнообразии, пока после достаточного количества столкновений они не станут большими и гладкими. «Это заканчивается каплей», — сказал Ди Маттео. В моделировании она и ее коллеги смогли воссоздать эти большие безликие пятна, называемые эллиптическими галактиками, путем многократного слияния спиральных галактик. Но была проблема.
В то время как в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь, много молодых звезд, светящихся голубым, в гигантских эллиптических галактиках есть только очень старые звезды, светящиеся красным. «Они красные и мертвые», — сказал Спрингель из Института астрофизики Макса Планка в Гархинге, Германия. Но каждый раз, когда команда запускала свою симуляцию, она выдавала светящиеся синим эллиптические тренажеры. Что бы ни отключало звездообразование, их компьютерная модель не зафиксировала.
Затем, по словам Спрингеля, «у нас возникла идея дополнить слияние наших галактик сверхмассивными черными дырами в центре. Мы позволяем этим черным дырам поглощать газ и высвобождать энергию, пока все это не разлетается на части, как скороварка. Внезапно эллиптическая галактика прекратит звездообразование и станет красной и мертвой».
«У меня отвисла челюсть», — добавил он. «Мы не ожидали, что [эффект] будет настолько экстремальным».
Воспроизводя красно-мертвые эллиптические, симуляция поддержала теории обратной связи черной дыры Риса и Натараджана. Черная дыра, несмотря на свой относительно небольшой размер, может общаться с галактикой в целом посредством обратной связи. За последние два десятилетия компьютерные модели были усовершенствованы и расширены, чтобы моделировать большие участки космоса, и они в целом соответствуют эклектичному галактическому зоопарку, который мы видим вокруг себя. Эти симуляции также показывают, что энергия, выбрасываемая черными дырами, заполняет пространство между галактиками горячим газом, который в противном случае должен был бы уже остыть и превратиться в звезды. «Люди к настоящему времени убеждены, что сверхмассивные черные дыры — очень правдоподобные двигатели, — сказал Спрингел. «Никто не придумал успешную модель без черных дыр».
Тайны обратной связи
Тем не менее, компьютерное моделирование по-прежнему удивительно прямолинейно.
По мере того как материя сползает внутрь к аккреционному диску вокруг черной дыры, трение заставляет энергию выталкиваться наружу; количество энергии, теряемое таким образом, — это то, что кодеры добавляют в свои симуляции вручную методом проб и ошибок. Это признак того, что детали все еще неуловимы. «Существует вероятность того, что в некоторых случаях мы получаем правильный ответ по неправильной причине», — сказал Куартарт. «Возможно, мы не фиксируем то, что на самом деле является самым важным в том, как растут черные дыры и как они выбрасывают энергию в свое окружение».
Правда в том, что астрофизики на самом деле не знают, как работает обратная связь AGN. «Мы знаем, насколько это важно. Но от нас ускользает именно то, что вызывает эту обратную связь», — сказал Ди Маттео. «Ключевая, ключевая проблема заключается в том, что мы не понимаем обратную связь глубоко, физически».
Они знают, что часть энергии излучается в виде излучения, которое придает центрам активных галактик их характерное яркое свечение. Сильные магнитные поля также заставляют материю вылетать из аккреционного диска либо в виде рассеянных галактических ветров, либо в виде мощных узких струй. Механизм, с помощью которого черные дыры запускают джеты, называется Процесс Блэндфорда-Знаека, был идентифицирован в 1970-х годах, но то, что определяет мощность луча и то, сколько его энергии поглощается галактикой, является «все еще открытой нерешенной проблемой», — сказал Нараян. Галактический ветер, который сферически исходит из аккреционного диска и, таким образом, более непосредственно взаимодействует с галактикой, чем узкие джеты, еще более загадочен. «Вопрос на миллиард долларов: как энергия связана с газом?» — сказал Спрингель.
Одним из признаков того, что проблема все еще существует, является то, что черные дыры в современных космологических симуляциях в конечном итоге меньше чем наблюдаемые размеры реальных сверхмассивных черных дыр в некоторых системах. Чтобы отключить звездообразование и создать красно-мертвые галактики, моделированию нужны черные дыры, которые выбрасывают столько энергии, что они перекрывают поток материи внутрь, так что черные дыры перестают расти. «Обратная связь в симуляциях слишком агрессивна; это преждевременно останавливает рост», — сказал Натараджан.
Млечный Путь иллюстрирует противоположную проблему: моделирование обычно предсказывает, что галактика такого размера должна иметь черную дыру в 10-XNUMX раз больше, чем Стрелец A*.
Исследователи надеются, что, внимательно изучив Млечный Путь и близлежащие галактики, мы сможем понять, как именно работает обратная связь АЯГ.
Экосистема Млечного Пути
В декабре 2020 года исследователи с рентгеновским телескопом eROSITA сообщили, что им удалось заметил пару пузырей простирается на десятки тысяч световых лет выше и ниже Млечного Пути. Огромные пузыри рентгеновских лучей напоминали столь же сбивающие с толку пузыри гамма-лучей, которые 10 лет назад обнаружил космический гамма-телескоп Ферми, исходящие из галактики.
Две теории происхождения пузырей Ферми все еще горячо обсуждались. Некоторые астрофизики предположили, что это реликт струи, вылетевшей из Стрельца А* миллионы лет назад. Другие думали, что пузыри — это аккумулированная энергия множества звезд, взрывающихся вблизи галактического центра — своего рода звездная обратная связь.
После появления Сян-И Карен Ян из Национального университета Цин Хуа на Тайване увидела изображение рентгеновских пузырей eROSITA, она «начала прыгать вверх и вниз». Янгу было ясно, что рентгеновские лучи могут иметь общее происхождение с гамма-лучами, если оба они генерируются одной и той же струей АЯГ. (Рентгеновские лучи будут исходить от ударного газа в Млечном Пути, а не от самой струи.) Вместе с соавторами Эллен Цвейбель и Матеуш Рушковски, она приступила к созданию компьютерной модели. Результаты, достижения, опубликованной в Астрофизика природы прошлой весной не только повторяют форму наблюдаемых пузырей и яркого ударного фронта, но и предсказывают, что они формировались в течение 2.6 миллионов лет (расширяясь наружу от струи, которая была активной в течение 100,000 XNUMX лет) — слишком быстро, чтобы быть объясняется звездной обратной связью.
Это открытие предполагает, что обратная связь с АЯГ может быть гораздо более важной в заурядных дисковых галактиках, таких как Млечный Путь, чем исследователи привыкли думать. Возникающая картина сродни картине экосистемы, сказал Ян, где AGN и звездная обратная связь переплетаются с диффузным горячим газом, окружающим галактики, называемым окологалактической средой. В разных типах галактик и в разное время будут преобладать разные эффекты и схемы течения.
Тематическое исследование прошлого и настоящего Млечного Пути может раскрыть взаимодействие этих процессов. Например, европейский космический телескоп Gaia нанес на карту точное положение и движение миллионов звезд Млечного Пути, что позволило астрофизикам проследить историю его слияния с более мелкими галактиками. Было высказано предположение, что такие события слияния активируют сверхмассивные черные дыры, встряхивая в них материю, заставляя их внезапно становиться ярче и даже запускать джеты. «В этой области ведутся большие споры о том, важны ли слияния, — сказал Кватарт. Данные о звезде Гайя свидетельствуют что Млечный Путь не подвергался слиянию во время образования пузырей Ферми и eROSITA, что не способствует слияниям как триггерам джета AGN.
В качестве альтернативы, сгустки газа могут просто столкнуться с черной дырой и активировать ее. Он может хаотично переключаться между едой, выбросом энергии в виде струй и галактических ветров и паузами.
Недавнее изображение Стрельца А*, полученное Телескопом Горизонта Событий, которое показывает текущую струйку падающей материи, представляет собой новую загадку, которую нужно решить. Астрофизики уже знали, что не весь газ, втянутый в галактику, достигнет горизонта черной дыры, поскольку галактические ветры выталкивают наружу этот аккреционный поток. Но сила ветра, необходимая для объяснения такого крайне сужающегося течения, нереальна. «Когда я моделирую, я не вижу сильного ветра», — сказал Нараян. «Это не тот ветер, который нужен для полного объяснения того, что происходит».
Вложенные симуляции
Частью проблемы понимания того, как работают галактики, является огромная разница между масштабами длин звезд и черных дыр и масштабами целых галактик и их окружения. При моделировании физического процесса на компьютере исследователи выбирают масштаб и включают соответствующие эффекты в этом масштабе. Но в галактиках взаимодействуют большие и малые эффекты.
«Черная дыра действительно крошечная по сравнению с большой галактикой, и вы не можете поместить их всех в одну огромную симуляцию», — сказал Нараян. «Каждый режим нуждается в информации от другого парня, но не знает, как установить связь».
Чтобы попытаться восполнить этот пробел, Нараян, Натараджан и их коллеги запускают проект, в котором будет использоваться вложенное моделирование для построения согласованной модели того, как газ течет через Млечный Путь и близлежащую активную галактику Мессье 87. «Вы позволяете информации поступать из галактики, чтобы сказать черной дыре, что делать, а затем вы позволяете информации от черной дыры вернуться и сказать галактике, что делать», — сказал Нараян. «Это петля, которая ходит по кругу и по кругу».
Моделирование должно помочь прояснить картину течения диффузного газа в галактиках и вокруг них. (Также помогут дальнейшие наблюдения за окологалактической средой с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба.) «Это важная часть всей экосистемы», — сказал Кватарт. «Как направить газ в черную дыру, чтобы выгнать всю энергию, которая уходит обратно?»
Важно отметить, что в новой схеме все входы и выходы между симуляциями разных масштабов должны быть согласованы, оставляя меньше ручек, которые можно было бы крутить. «Если симуляция настроена правильно, она самосогласованно решит, сколько газа должно достичь черной дыры», — сказал Нараян. «Мы можем заглянуть в него и спросить: почему он не съел весь газ? Почему он был таким суетливым и потреблял так мало доступного газа?» Группа надеется создать серию снимков галактик на разных этапах их эволюции.
На данный момент многое об этих галактических экосистемах остается догадкой. «Это действительно новая эра, когда люди начинают думать об этих перекрывающихся сценариях», — сказал Ян. «У меня нет четкого ответа, но я надеюсь, что он будет через несколько лет».
Примечание редактора: Прия Натараджан в настоящее время входит в научный консультативный совет Quanta.
