Черная дыра поймала выбрасывающие струи в космическую пустоту

На иллюстрации этого художника изображен Порфирион, крупнейшая из когда-либо наблюдавшихся реактивных систем черных дыр. Его струи простираются примерно на 23 миллиона световых лет, или 140 галактик Млечного Пути, выстроившихся в ряд вплотную друг к другу.

Подобно дракону, выдыхающему языки пламени, черная дыра в далекой Вселенной выбрасывает в космос столбы энергии, образующие струи, протяженностью 23 миллиона световых лет. Это в 140 раз больше ширины Млечного Пути, чего достаточно, чтобы повлиять на эволюцию Вселенной в ранее неслыханных масштабах.

Международная группа астрономов объявила о находке сегодня в журнале Nature. Они назвали массивное струйное образование Порфирионом в честь мифологического греческого гиганта, который воевал с богами за контроль над космосом. Астрономический Порфирион в два раза больше предыдущего рекордсмена по образованию струй, который также был назван в честь греческого гиганта (Alcyoneus) и обнаружен ведущим автором нового исследования Мартином Оей из Калифорнийского технологического института и Лейденского университета в Нидерландах и его коллегами в 2022 году.

Открытие этого мощного выброса энергии может изменить взгляды астрономов на то, как подобные структуры влияют на Вселенную в целом. Изливая в космос энергию многих галактик, нагревая и перемешивая тонкий материал, который находится между звездами, галактиками и даже скоплениями галактик, струи могут подавлять звездообразование и определять эволюцию своих космических окрестностей — и границы этого “соседства”, возможно, просто стали намного больше.

Взгляд в прошлое

Порфирион был обнаружен в рамках данных обзора неба, проведенного с использованием европейского радиотелескопа LOFAR (низкочастотная матрица). Радиоволны - лучший способ поиска массивных струй черных дыр, которые образуются, когда вещество попадает в черную дыру. Большинство— если не все, массивных галактик содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры. Но черные дыры обычно темные и невидимые, их можно наблюдать в основном благодаря их гравитационному манипулированию звездами вокруг них. Но если вещество начинает активно падать в черную дыру, турбулентный вихрь, подобно воде в канализации, может снова выбросить часть этого вещества на высоких скоростях. Это струи, за которыми охотятся такие астрономы, как Oei.

Хотя исследование LOFAR в конечном итоге охватит все Северное полушарие, Оэй и его коллеги имели доступ только к примерно 15 процентам неба. Даже при таком сравнительно небольшом пространстве исследование обнаружило более 11 000 струй, длина которых превышала мегапарсек (3,26 миллиона световых лет). До начала исследования астрономам было известно всего о нескольких сотнях.

С таким количеством данных команде пришлось передать часть поисковых работ на аутсорсинг. Алгоритмы машинного обучения вычленили некоторые структуры. Но многие струи были обнаружены гражданскими учеными, просматривающими фотографии одну за другой. Мартин Хардкасл* из Университета Хартфордшира в Великобритании заявил во время пресс-конференции, что большую часть своего вклада в гражданскую науку они получили в первые дни пандемии. “Это немного замедлилось, когда люди вернулись к работе”, - сказал он. Но за три года проект набрал миллион просмотров.

Порфирион был крупнейшей обнаруженной системой. После того, как она была идентифицирована, Оэ и коллегам необходимо было установить источник огромных потоков энергии. Используя телескопы в Индии, Аризоне и на Гавайях, они исследовали глубже тот уголок неба, где находится Порфирион, и обнаружили галактику массой примерно 70 миллиардов солнечных масс (размером с M82), наблюдаемую, когда вселенной было немногим более 6 миллиардов лет, что составляет примерно половину ее нынешнего возраста.

Длинный радиус действия — с какой целью?

Огромная длина Порфириона вызывает вопросы у астрономов. До сих пор все огромные реактивные системы размером в мегапарсек были обнаружены ближе к Земле, то есть позже в истории Вселенной, насчитывающей 13,8 миллиарда лет. Астрономы видели их в основном в старых, “красных и мертвых” эллиптических галактиках. Хотя черные дыры могут выделять в свои струи огромное количество энергии — звезд, составляющих более 100 галактик, — этим струям требуются сотни миллионов лет, чтобы достичь рекордной длины. Считалось, что более молодые галактики, формирующие звезды, слишком нестабильны, чтобы поддерживать струи так долго.

Но Порфирион действительно существовал, и в гораздо более раннюю эпоху в истории вселенной, когда вселенная была более живой и компактной, чем сегодня. Непрекращающееся расширение Вселенной означает, что длина Млечного Пути в 140 раз больше, что было еще более впечатляющим расстоянием 8 миллиардов лет назад, когда вселенная была меньше. Дальний радиус действия Порфириона простирается не только за пределы его галактики-хозяина, но и на две трети пути в космическую пустоту, пространство не просто между галактиками, но и между сверхскоплениями галактик. Это означает, что ее охват был поистине космологическим, в масштабе крупнейших структур космоса.

И это лишь самая большая из примерно 11 000 обнаруженных огромных реактивных систем (существует еще много десятков тысяч реактивных систем меньшего размера). Если реактивные системы, подобные Порфириону, окажутся обычным явлением, что кажется вероятным, то они, возможно, оказали гораздо большее влияние на эволюцию Вселенной, чем предполагали ранее астрономы.

Только в последние несколько десятилетий астрономы осознали, насколько глубоко взаимосвязана эволюция галактики и ее центральной черной дыры. Когда струи из такой черной дыры проходят мимо самой галактики, их влияние не прекращается. В дополнение к нагреву тонкого материала внутри своего хозяина и остановке звездообразования, они могут намагничивать еще более прозрачное вещество между галактиками и скоплениями галактик - явление, которое, по мнению астрономов, может быть пережитком самого Большого взрыва. Но теперь возможно, что струи черных дыр являются архитекторами этого процесса, тонкого упорядочения крупнейших масштабов Вселенной.

Раскрытие гигантов

Теперь астрономам предстоит выяснить, верны ли их новые гипотезы: действительно ли эти гигантские системы так обычны, как вдруг кажутся? Оказывают ли они столь же большое, до сих пор неоткрытое влияние на эволюцию Вселенной? Как им удается оставаться стабильными так долго в такое напряженное время космической истории?

LOFAR должен обнаружить еще десятки тысяч колоссальных реактивных систем, поскольку он продолжает сканировать небо. Поскольку тысячи уже идентифицированы в первом пакете данных, машинное обучение может быть использовано для ускорения процесса поиска на новых радиокартах, что дает достаточный материал для этих исследований.

Ясно одно: Порфириона, левиафана в глубинах космоса, больше нет.