12 травня на дев'яти одночасних прес-конференціях по всьому світу астрофізики показали перше зображення чорної діри в центрі Чумацького Шляху. Спершу, незважаючи на те, що це було дивовижним, копітко створене зображення кільця світла навколо центральної ями темряви нашої галактики здавалося лише доказом того, чого вже очікували експерти: надмасивна чорна діра Чумацького Шляху існує, вона обертається та підкоряється Альберту Ейнштейну. загальна теорія відносності.
І все ж, при найближчому розгляді, все не зовсім так.
За яскравістю бублика світла дослідники оцінили як швидко речовина падає на Стрілець A* — таку назву отримала центральна чорна діра Чумацького Шляху. Відповідь така: зовсім не швидко. "Він засмічений до маленької цівки", - сказав Прія Натараджан, космолог з Єльського університету, порівнюючи галактику зі зламаною душовою лійкою. Чомусь лише тисячна частина цього питання впадає в Чумацький Шлях від навколишнього міжгалактичного середовища проходить весь шлях вниз і в отвір. "Це розкриває величезну проблему", - сказав Натараджан. «Куди йде цей газ? Що відбувається з потоком? Цілком очевидно, що наше розуміння зростання чорної діри є підозрілим».
За останню чверть століття астрофізики усвідомили, який тісний, динамічний зв’язок існує між багатьма галактиками та чорними дірами в їхніх центрах. «У цій сфері відбулися справді значні зміни, — каже Рамеш Нараян, астрофізик-теоретик Гарвардського університету. «Несподіванкою було те, що чорні діри відіграють важливу роль у формуванні та контролі еволюції галактик».
Ці гігантські діри — концентрації матерії настільки щільні, що гравітація не дає вийти навіть світлу — схожі на двигуни галактик, але дослідники тільки починають розуміти, як вони працюють. Гравітація втягує пил і газ всередину до галактичного центру, де вони утворюють закручений акреційний диск навколо надмасивної чорної діри, нагріваючись і перетворюючись на розпечену до білого плазму. Потім, коли чорна діра поглинає цю речовину (краплями і краплями або раптово), енергія викидається назад у галактику в процесі зворотного зв’язку. «Коли ви вирощуєте чорну діру, ви виробляєте енергію та викидаєте її в навколишнє середовище більш ефективно, ніж за допомогою будь-якого іншого процесу, який ми знаємо в природі», — сказав Еліот Кватарт, астрофізик-теоретик Прінстонського університету. Цей зворотний зв’язок впливає на швидкість утворення зірок і структуру газових потоків у всій галактиці.
Але дослідники мають лише розпливчасті уявлення про «активні» епізоди надмасивних чорних дір, які перетворюють їх на так звані активні галактичні ядра (AGN). «Який пусковий механізм? Що таке вимикач? Це фундаментальні питання, до яких ми все ще намагаємось дійти», — сказав Кірстен Холл Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики.
Відомо, що зоряний зворотний зв’язок, який виникає, коли зірка вибухає як наднова, має подібний ефект, ніж зворотний зв’язок AGN у меншому масштабі. Ці зоряні двигуни досить великі, щоб регулювати малі «карликові» галактики, тоді як тільки гігантські двигуни надмасивних чорних дір можуть домінувати в еволюції найбільших «еліптичних» галактик.
За розміром Чумацький Шлях, типова спіральна галактика, знаходиться посередині. Довгий час вважалося, що в центрі нашої галактики мало очевидних ознак активності, тому вважалося, що в ній домінує зоряний зворотний зв’язок. Але кілька останніх спостережень свідчать про те, що зворотній зв'язок AGN також формує його. Вивчаючи подробиці взаємодії між цими механізмами зворотного зв’язку в нашій рідній галактиці — і борючись із такими головоломками, як нинішня темрява Стрільця A* — астрофізики сподіваються з’ясувати, як загалом коеволюціонують галактики та чорні діри. Чумацький Шлях «стає найпотужнішою астрофізичною лабораторією», сказав Натараджан. Виконуючи функцію мікросвіту, він «може тримати ключ».
Галактичні двигуни
До кінця 1990-х років астрономи загалом визнали наявність чорних дір у центрах галактик. На той час вони могли бачити досить близько до цих невидимих об’єктів, щоб визначити їх масу за рухом зірок навколо них. А виникла дивна кореляція: чим масивніша галактика, тим важча її центральна чорна діра. «Це було особливо жорстко, і це було абсолютно революційно. Якимось чином чорна діра розмовляє з галактикою», – сказав він Тіціана Ді Маттео, астрофізик Університету Карнегі-Меллона.
Кореляція дивовижна, якщо взяти до уваги, що чорна діра, незважаючи на те, що вона велика, становить мізерну частку розміру галактики. (Наприклад, Стрілець A* важить приблизно 4 мільйони сонць, тоді як Маса Чумацького Шляху становить близько 1.5 трильйонів сонячних мас.) Через це гравітація чорної діри з певною силою тягне лише найвнутрішню частину галактики.
Для Мартіна Різа, королівського астронома Сполученого Королівства, відгук AGN запропонував природний спосіб з’єднати відносно крихітну чорну діру з галактикою загалом. За два десятиліття до того, у 1970-х роках, Ріс правильно припустив, що надмасивні чорні діри живлять світлові струмені спостерігаються в деяких далеких, яскраво світяться галактиках, які називаються квазарами. Він навіть запропонований, разом із Дональдом Лінден-Беллом, що чорна діра пояснює, чому світиться центр Чумацького Шляху. Чи можуть це бути ознаки загального явища, яке визначає розмір надмасивних чорних дір у всьому світі?
Ідея полягала в тому, що чим більше матерії поглинає чорна діра, тим яскравішою вона стає, а збільшення енергії та імпульсу видуває газ назовні. Зрештою, зовнішній тиск зупиняє падіння газу в чорну діру. «Це припинить зростання. У повільній манері це було міркування», – сказав Ріс. Або, за словами Ді Маттео, «чорна діра їсть, а потім ковтає». Дуже велика галактика надає більшу вагу центральній чорній дірі, що ускладнює видування газу назовні, і тому чорна діра стає більшою, перш ніж поглинути її.
Проте небагато астрофізиків були переконані, що енергія падаючої матерії може бути викинута таким драматичним чином. «Коли я писав дисертацію, ми всі були одержимі чорними дірами як точкою неповернення — просто надходженням газу», — сказав Натараджан, який брав участь у розробці перших моделей зворотного зв’язку AGN, будучи аспірантом Різа. «Кожен мав робити це дуже обережно й обережно, оскільки це було настільки радикально».
Підтвердження ідеї зворотного зв’язку надійшло через кілька років завдяки комп’ютерному моделюванню, розробленому Ді Маттео та астрофізиками. Фолькер Шпрінгель та Ларс Гернквіст. «Ми хотіли відтворити дивовижний зоопарк галактик, який ми бачимо в реальному Всесвіті», — сказав Ді Маттео. Вони знали основну картину: у ранньому Всесвіті галактики були маленькими та щільними. Переведіть стрілку годинника вперед, і гравітація розіб’є цих гномів разом у полум’ї вражаючих злиттів, утворюючи кільця, вири, сигари та будь-яку фігуру між ними. Розмір і різноманітність галактик зростають, поки після достатньої кількості зіткнень вони не стануть великими та гладкими. «Це закінчується краплею», — сказав Ді Маттео. Під час моделювання вона та її колеги змогли відтворити ці великі безвиразні краплі, які називаються еліптичними галактиками, багато разів зливаючи спіральні галактики. Але була проблема.
У той час як спіральні галактики, такі як Чумацький Шлях, мають багато молодих зірок, які світяться синім, гігантські еліптичні галактики містять лише дуже старі зірки, які світяться червоним. «Вони червоні й мертві», — сказав Шпрінгель з Інституту астрофізики Макса Планка в Гархінге, Німеччина. Але кожного разу, коли команда запускала свою симуляцію, вона виплюювала еліптики, які світилися синім. Те, що вимикало утворення зірок, не було зафіксоване їхньою комп’ютерною моделлю.
Потім, сказав Шпрінгель, «у нас виникла ідея збільшити злиття наших галактик надмасивними чорними дірами в центрі. Ми дозволяли цим чорним дірам ковтати газ і виділяти енергію, доки все це не розлетілося, як каструля скороварки. Раптом еліптична галактика припинить утворення зірок і стане червоною та мертвою».
«У мене відвисла щелепа», — додав він. «Ми не очікували, що [ефект] буде настільки екстремальним».
Шляхом відтворення червоно-мертвих еліптичних зображень, симуляція підкріпила теорії зворотного зв’язку чорної діри Різа та Натараджана. Чорна діра, незважаючи на її відносно крихітний розмір, може спілкуватися з галактикою в цілому за допомогою зворотного зв’язку. За останні два десятиліття комп’ютерні моделі були вдосконалені та розширені, щоб імітувати великі простори космосу, і вони загалом відповідають еклектичному галактичному зоопарку, який ми бачимо навколо. Ці симуляції також показують, що енергія, викинута з чорних дір, заповнює простір між галактиками гарячим газом, який інакше мав би вже охолонути та перетворитися на зірки. «Люди вже переконалися, що надмасивні чорні діри є дуже правдоподібними двигунами», — сказав Спрінгель. «Ніхто не винайшов успішної моделі без чорних дір».
Таємниці зворотного зв'язку
Проте комп’ютерне моделювання все ще є напрочуд відвертим.
Оскільки речовина повзе всередину до акреційного диска навколо чорної діри, тертя викликає енергію, яка виштовхується назад; кількість енергії, втраченої таким чином, є тим, що кодери вкладають у свої симуляції вручну шляхом проб і помилок. Це ознака того, що деталі все ще невловимі. «Існує ймовірність того, що в деяких випадках ми отримуємо правильну відповідь з неправильної причини», — сказав Куатерт. «Можливо, ми не фіксуємо те, що насправді є найважливішим у тому, як чорні діри ростуть і як вони викидають енергію в своє оточення».
Правда полягає в тому, що астрофізики насправді не знають, як працює зворотний зв'язок AGN. «Ми знаємо, наскільки це важливо. Але ми не розуміємо, що саме спричиняє цей зворотній зв’язок», – сказав Ді Маттео. «Ключова, ключова проблема полягає в тому, що ми не розуміємо зворотного зв’язку глибоко, фізично».
Вони знають, що деяка кількість енергії випромінюється у вигляді випромінювання, яке надає центрам активних галактик характерне яскраве світіння. Сильні магнітні поля змушують речовину також вилітати з акреційного диска у вигляді дифузних галактичних вітрів або потужних вузьких струменів. Механізм, за допомогою якого чорні діри, як вважають, запускають струмені, називається Процес Блендфорда-Знаєка, був ідентифікований у 1970-х роках, але те, що визначає потужність променя та скільки його енергії поглинається галактикою, «все ще є відкритою невирішеною проблемою», сказав Нараян. Галактичний вітер, який виходить сферично з акреційного диска і тому прагне взаємодіяти з галактикою більш безпосередньо, ніж вузькі струмені, ще більш загадковий. «Питання на мільярд доларів таке: як відбувається взаємодія енергії з газом?» сказав Шпрінгель.
Одним із ознак того, що проблема все ще є, є те, що чорні діри в найсучаснішому космологічному моделюванні закінчуються менше ніж спостережувані розміри справжніх надмасивних чорних дір у деяких системах. Щоб вимкнути утворення зірок і створити червоно-мертві галактики, симуляції потребують, щоб чорні діри викидали стільки енергії, щоб заглушити внутрішній потік матерії, щоб чорні діри припинили ріст. «Зворотній зв'язок у симуляціях надто агресивний; це затримує ріст передчасно», – сказав Натараджан.
Чумацький Шлях є прикладом протилежної проблеми: симуляції зазвичай передбачають, що галактика такого розміру повинна мати чорну діру в три-десять разів більшу, ніж у Стрільця A*.
Придивившись ближче до Чумацького Шляху та сусідніх галактик, дослідники сподіваються, що ми зможемо почати розгадувати, як саме працює зворотний зв’язок AGN.
Екосистема Чумацького Шляху
У грудні 2020 року дослідники з рентгенівським телескопом eROSITA повідомили, що вони це зробили помітив пару бульбашок простягається на десятки тисяч світлових років над і під Чумацьким Шляхом. Величезні бульбашки рентгенівського випромінювання нагадували настільки ж дивовижні бульбашки гамма-променів, які 10 років тому космічний гамма-телескоп Фермі виявив, що виходять із галактики.
Дві теорії походження бульбашок Фермі все ще гаряче обговорювалися. Деякі астрофізики припустили, що вони були залишками струменя, який вилетів зі Стрільця A* мільйони років тому. Інші вважали, що бульбашки — це накопичена енергія багатьох зірок, що вибухають поблизу галактичного центру — свого роду зворотний зв’язок зірок.
Коли Сян-І Карен Ян Національного університету Цин Хуа в Тайвані побачила зображення рентгенівських бульбашок eROSITA, вона «почала стрибати вгору і вниз». Янгу було зрозуміло, що рентгенівське випромінювання може мати спільне походження з гамма-променями, якщо обидва генеруються одним струменем AGN. (Рентгенівські промені надходитимуть від ударного газу в Чумацькому Шляху, а не від самого джета.) Разом із співавторами Елен Цвайбель та Матеуш Рушковський, вона взялася за створення комп’ютерної моделі. Результати, опубліковані в Астрофізика природи минулої весни не тільки повторює форму спостережуваних бульбашок і яскравого ударного фронту, але й передбачає, що вони утворювалися протягом 2.6 мільйонів років (розширюючись назовні від струменя, який був активним протягом 100,000 XNUMX років) — занадто швидко, щоб бути пояснюється зоряним зворотним зв'язком.
Це відкриття свідчить про те, що зворотний зв’язок AGN може бути набагато важливішим у звичайних дискових галактиках, таких як Чумацький Шлях, ніж дослідники раніше думали. Картина, яка виникає, схожа на екосистему, сказав Ян, де AGN і зоряний зворотний зв’язок переплітаються з дифузним гарячим газом, який оточує галактики, і називається навкологалактичним середовищем. У різних типах галактик і в різний час будуть домінувати різні ефекти і моделі потоків.
Дослідження минулого та сьогодення Чумацького Шляху могло б розкрити взаємодію цих процесів. Європейський космічний телескоп Gaia, наприклад, наніс на карту точні положення та рухи мільйонів зірок Чумацького Шляху, що дозволило астрофізикам відстежити історію його злиття з меншими галактиками. Вважається, що такі події злиття активують надмасивні чорні діри, струшуючи в них матерію, змушуючи їх раптово освітлюватись і навіть запускати струмені. «У цій галузі точаться великі дебати щодо того, чи важливі злиття, — сказав Куатерт. Дані зірки Гея пропонує що Чумацький Шлях не зазнав злиття в той час, коли утворилися бульбашки Фермі та eROSITA, не сприяючи злиттям як тригерам струменя AGN.
Крім того, згустки газу можуть випадково зіткнутися з чорною дірою та активувати її. Він може хаотично перемикатися між прийомом їжі, викидом енергії у вигляді струменів і галактичних вітрів і паузою.
Нещодавнє зображення Стрільця A*, зроблене телескопом Event Horizon Telescope, яке показує його поточну цівку падаючої матерії, представляє нову головоломку, яку потрібно вирішити. Астрофізики вже знали, що не весь газ, який втягується в галактику, досягне горизонту чорної діри, оскільки галактичні вітри штовхають назовні проти цього акреційного потоку. Але сила вітру, необхідна для пояснення такого надзвичайно звуженого потоку, нереальна. «Коли я роблю моделювання, я не бачу сильного вітру», — сказав Нараян. «Це не той вітер, який потрібен для повного пояснення того, що відбувається».
Вкладене моделювання
Однією з труднощів у розумінні того, як працюють галактики, є величезна різниця між масштабами довжини зірок і чорних дір і масштабами цілих галактик і їхнього оточення. При моделюванні фізичного процесу на комп’ютері дослідники вибирають масштаб і включають відповідні ефекти в цьому масштабі. Але в галактиках великий і малий ефекти взаємодіють.
«Чорна діра справді крихітна порівняно з великою галактикою, і ви не можете помістити їх усіх в одну величезну симуляцію», — сказав Нараян. «Кожному режиму потрібна інформація від іншого хлопця, але він не знає, як встановити зв’язок».
Щоб спробувати подолати цей розрив, Нараян, Натараджан та їхні колеги запускають проект, який використовуватиме вкладене моделювання для побудови узгодженої моделі того, як газ тече через Чумацький Шлях і сусідню активну галактику Мессьє 87. «Ви дозволяєте інформації надходити з галактики, щоб сказати чорній дірі, що робити, а потім ви дозволяєте інформації з чорної діри повернутися назад і сказати галактиці, що робити», — сказав Нараян. «Це петля, яка обертається і обертається».
Моделювання має допомогти прояснити схему потоку дифузного газу в галактиках і навколо них. (Подальші спостереження навкологалактичного середовища за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба також допоможуть.) «Це критична частина всієї цієї екосистеми», — сказав Куатерт. «Як спустити газ до чорної діри, щоб вигнати всю енергію, яка йде назад?»
Важливо те, що в новій схемі всі входи та виходи між симуляціями в різних масштабах повинні бути узгодженими, залишаючи менше циферблатів для обертання. «Якщо симуляція налаштована належним чином, вона самостійно вирішить, скільки газу має досягти чорної діри», — сказав Нараян. «Ми можемо подивитися на нього і запитати: чому він не з’їв весь газ? Чому було так метушливо і витрачати так мало наявного газу?» Група сподівається створити серію знімків галактик на різних етапах їхньої еволюції.
Наразі багато чого про ці галактичні екосистеми все ще залишається передчуттям. «Це справді нова ера, коли люди починають думати про сценарії, що збігаються», — сказав Ян. «У мене немає чіткої відповіді, але я сподіваюся, що через кілька років я її зроблю».
Примітка редактора: Прія Натараджан зараз є членом науково-консультативної ради Quanta.
