«Игра теней» с диска вокруг черной дыры

Космический телескоп Хаббла зафиксировал интересный эффект, который объясняют тем, что пылевой диск материала, окружающий черную дыру, отбрасывает свою тень в космос, создавая лучи из яркого света и тени.

Об этом рассказывается в пресс-релизе на сайте Хаббла.

Некоторые из самых потрясающих видов нашего неба возникают во время заката, когда солнечный свет пронизывает облака, создавая смесь ярких и темных лучей, образованных тенями облаков и лучами света, рассеянных по атмосфере.

Астрономы, изучающие соседнюю галактику IC 5063, видят подобный эффект на снимках, сделанных космическим телескопом Хаббла. В этом случае, видно, как из блестящего яркого центра активной галактики выстреливает сиянием набор узких световых лучей и темных теней.

Команда астрономов во главе с Питером Максимом из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра в Кембридже, штат Массачусетс, проследила лучи к ядру галактики, где находится активная сверхмассивная черная дыра. Черная дыра – это плотная, компактная область пространства, которая проглатывает свет и материю под действием разрушительной гравитации. Объект-монстр безумно питается материалом, падающим в него, производя от перегретого газа вблизи себя мощной фонтан света.

Несмотря на то, что исследователи разработали несколько правдоподобных теорий для этого светового шоу, самая интригующая идея предполагает, что кольцо в форме бублика, или тор, из пылевого материала, окружающего черную дыру, отбрасывает свою тень в космос.

По предложенному Максимом сценарию, пылевой диск вокруг черной дыры не блокирует весь свет. Пробелы на диске позволяют свету сиять, создавая блестящие конусообразные лучи, похожие на пальцы из света, которые иногда можно увидеть при заходе Солнца. Однако, лучи в IC 5063 происходят в значительно больших масштабах, простреливая на по крайней мере 36 000 световых лет.

Часть света попадает на плотные участки в кольце, отбрасывая тень кольца в космос. Эти тени появляются в форме темных пальцев, вперемешку с яркими лучами. Эти лучи и тени видны, поскольку черная дыра и ее кольцо наклонены в сторону относительно плоскости галактики. Такое выравнивание позволяет световым лучам выходить за пределы галактики.

Это взаимодействие света и тени предлагает уникальное представление о распределении материала, окружающего черную дыру. В некоторых местах материал может напоминать рассеяны облака. Если эта интерпретация верна, наблюдения могут предоставить косвенное представление о крапчатой структуре диска.

«Меня больше всего захватывает идея о тени от тора, потому что это действительно крутой эффект, который, я не думаю, что мы его видели ранее на изображениях, хотя он и был гипотетическим», - говорит Максим. «С научной точки зрения, он показывает нам то, что трудно – обычно, невозможно – увидеть непосредственно. Мы знаем, что это явление должно происходить, но в этом случае мы можем наблюдать эффекты через всю галактику. Более глубокие знания о геометрии тора будут иметь последствия для любого, кто попытается понять поведение сверхмассивных черных дыр и их сред. По мере эволюции галактики, она формируется через центральную черную дыру».

Изучение тора важно, поскольку он направляет материал в черную дыру. Если интерпретация "тени" является точной, темные лучи косвенно свидетельствуют о том, что диск в IC 5063 может быть очень тонким, что объясняет, почему свет просачивается по всей структуре.

Наблюдение за подобными черными дырами в рентгеновской обсерватории Чандры позволили выявить, что рентгеновские лучи проникают из отверстий в торе, благодаря чему структура выглядит как швейцарский сыр. По словам Максима, эти дырочки могут быть вызваны закручиванием диска внутренними силами, приводя к его деформации. «Вполне возможно, что искривление создает достаточно большие промежутки, чтобы часть света пробилась сквозь них, и, по мере вращения тора, лучи света могли проноситься по галактике, как лучи маяка сквозь туман», - добавил он.

Случайность в гражданской науке

Несмотря на то, что астрономы изучали галактику в течение десятилетий, для неожиданного открытия понадобился не ученый. Джуди Шмидт, художница и астроном-любитель, которая живет в Модесто, штат Калифорния, открыла темные тени, когда обрабатывала экспозиции Хаббла по галактикам в декабре 2019 года. Шмидт регулярно отбирает из архива Хаббла что-то интересное, что она может превратить в прекрасные изображения. Она делится этими изображениями в своей ленте в Twitter со своими многими последователями, среди которых астрономы, такие как Максим.

Шмидт выбрала из архива Хаббла наблюдения за IC 5063, поскольку ее интересуют галактики, имеющие активные ядра. Тени конусообразной формы не были заметны при оригинальных экспозициях, поэтому она была удивлена, увидев их на своем обработанном изображении. «Я не подозревала, что они там, и даже после того, как я сделала обработку, я продолжала моргать глазами, удивляясь, вижу ли я то, что я думаю», - сказала она.

Она сразу же опубликовала свое изображение в своем аккаунте в Twitter. «Это было то, чего я никогда раньше не видела, и хотя у меня были сильные подозрения относительно того, что они являются теневыми лучами, или «крепускулярнымы лучами», как назвал их Питер, легко дать волю своему воображению и желаниям», - пояснила она. «Я подумала, что, если я ошибаюсь, кто-то спустил бы меня на землю».

Изображение вызвало оживленную дискуссию в Twitter среди ее последователей-астрономов, в частности Максима, спорившим о происхождении лучей. Максим уже анализировал струи, созданные черной дырой галактики, на изображениях Хаббла. Поэтому он взял на себя инициативу в изучении лучей и написании научной работы. Его исследование основывается на наблюдениях в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществленных «Широкоугольной камерой 3» и «Усовершенствованной камерой для наблюдений» Хаббла в марте и ноябре 2019 года. Красный и ближне-инфракрасный свет пронизывает пыльную галактику, чтобы выявить детали, которые могут быть окружены пылью.

Это открытие было бы невозможным без острого зрения Хаббла. Также, галактика находится относительно недалеко, всего 156 миллионов световых лет от Земли. «Старые изображения с телескопов на Земле показывали, возможно, намеки на подобную структуру, но сама галактика - это такой беспорядок, что никогда не догадаешься, что происходит без Хаббла», - объясняет Максим. «Хаббл делает четкие снимки, чувствительный к слабым вещам и имеет достаточно большое поле зрения, чтобы изобразить всю галактику».

Максим надеется продолжить исследования галактики, чтобы определить, правильный ли его сценарий. «Мы хотим продолжать расследование, и будет замечательно, если другие ученые также попытаются проверить наши выводы с помощью новых наблюдений и моделирования», - сказал он. «Это проект, который просто умоляет о новых данных, поскольку ставит больше вопросов, чем дает ответов».

Результаты команды были опубликованы в журнале «The Astrophysical Journal Letters».

Читайте еще интересные новости о космосе.