Галактические взрывы подыграли песне чёрной дыры

Орбитальная обсерватория зарегистрировала нечто неожиданное — страшный грохот, издаваемый сверхмассивной чёрной дырой. Казалось бы, звук в вакууме — как такое возможно? К тому же из чёрной дыры, от которой не то что звуковых, а даже световых сигналов не дождёшься. Но всё-таки дождались. И ещё каких!

Это нестандартное в прямом смысле открытие удалось сделать в результате одного из самых длительных наблюдений за M87 — ближайшей к нам эллиптической галактикой.

M87 находится в центре скопления галактик в созвездии Девы. Было ради чего устраивать поиски: ведь это «рыбное место» уже успело прославиться рядом необычных находок; в числе недавних — внутрикластерный звёздный свет и галактика без звёзд. А ещё астрономы заметили, что эта область — одно из «поселений» самых массивных во Вселенной чёрных дыр.

M87 в оптическом диапазоне. Подробности, связанные с чёрными дырами, на этих длинах волн, как правило, не дают о себе знать (иллюстрация NASA/CXC/SAO).

Однако чёрная дыра, как известно, не может выдать себя напрямую, а только через косвенные проявления, например, через гамма-излучение окружающего вещества. Поэтому и пришлось «смотреть» рентгеном, для чего и использовали самое подходящее для этого устройство — Chandra.

На снимках учёные обнаружили петли и кольца из раскалённого газа, пронизывающие и окружающие галактику. Исходя из характера этих неоднородностей, исследователи сделали вывод о том, что они возникли в результате повторяющихся взрывов вокруг чёрной дыры в ядре M87. Эти процессы происходят с определённой периодичностью, вызывая регулярные изменения плотности газа, которые есть не что иное, как звук.

Одна из неизвестных ранее деталей — ударная волна, представляющая собой кольцо диаметром в 85 тысяч световых лет, излучающее жёсткий рентген. Кстати, светлое кольцо меньшего диаметра, которое можно разглядеть на снимке, по предположению исследователей, возникло из-за другого взрыва (иллюстрация NASA/CXC/SAO).

Взрывы в M87 случаются раз в несколько миллионов лет и оказывают значительное влияние на жизнь галактики — в частности, из-за них не происходит охлаждения газа и не образуются новые звёзды. Именно благодаря этим взрывам галактика и сформировалась в своём нынешнем виде.

«Если бы чёрная дыра не шумела так, M87 была бы галактикой совершенно иного типа, — утверждает Пол Налсен (Paul Nulsen) из Гарвардско-Смитсоновского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), занимающийся исследованием M87. — Возможно, она стала бы огромной спиральной галактикой и могла быть ярче Млечного Пути в 30 раз».

Но давайте разберёмся, откуда, собственно, этот шум.

Так, по описанию астрономов, происходят взрывы в галактике M87: вещество понемногу уплотняется и падает на чёрную дыру, что затем приводит к резкому выбросу материи в виде джетов. Джеты, сталкиваясь с газом, формируют в нём ударную волну, которая и создаёт звук (иллюстрация NASA/CXC/SAO).

Из-за сильной гравитации окружающий газ устремляется к чёрной дыре и падает на неё. В результате одна часть вещества поглощается, а другая вырывается в виде джетов. Энергия этих струй оказывается настолько большой, что они, распространяясь в газе, создают в нём зоны уплотнения и разрежения — звуковые волны.

Непосредственная причина звука — ударная волна — характерный признак мощного взрыва. Она наблюдается как кольцо гамма-излучения диаметром в 85 тысяч световых лет, в центре которого — чёрная дыра.

Изучая M87, астрономы нашли некоторые другие детали, так или иначе ответственные за звучание этого объекта. В частности, на новых снимках обнаружились загадочные тонкие нити гамма-излучения протяжённостью более ста тысяч световых лет (что сопоставимо с диаметром нашей галактики!).

На этом рентгеновском снимке заметны несколько полостей в раскалённом газе (видны как «петли»), оставшиеся после небольших взрывных выбросов вещества несколько миллионов лет назад. Звуковые волны от них «аккомпанируют» основному тону (иллюстрация NASA/CXC/SAO).

Кроме того, учёные рассмотрели огромную, доселе неизвестную полость в газе, образованную выбросом вещества из чёрной дыры порядка 70 миллионов лет назад (процесс её формирования можно посмотреть тут — файл MPEG; 2,5 мегабайта).

«Что-то из увиденного, например, ударные волны, мы можем объяснить на основе теорий из учебников, — комментирует открытие участница исследования астрофизик Кристин Джонс (Christine Jones) из Гарвардско-Смитсоновского астрофизического центра. — Но некоторые вещи, типа этих нитей, заставляют только почесать затылок».

Предыдущие астронаблюдения с помощью Chandra уже помогли открыть поющую чёрную дыру из скопления галактик в созвездии Персея — она, как выяснилось, «играет» на ноте, которая приблизительно на 57 октав ниже «до» первой октавы. Но у M87 «голос» более сложный, хотя и намного менее благозвучный, если так можно выразиться.

Основное подтверждение тому — несколько неравномерно распределённых петель горячего газа, свидетельствующих о том, что вокруг чёрной дыры время от времени (примерно раз в шесть миллионов лет) происходят небольшие взрывы.

Комбинированный снимок M87 — в оптическом и рентгеновском диапазоне. В этой галактике Chandra впервые зарегистрировала нитевидные структуры — наподобие той, что в виде почти прямой линии тянется вправо вниз (её протяжённость — сто тысяч световых лет). Пока у астрономов есть лишь предположение: что эти образования связаны с воздействием магнитного поля на газ (иллюстрация NASA/CXC/SAO).

Эти петли связаны со звуковыми волнами с тоном на 56 октав ниже «до». А наличие недавно открытой огромной пустоты, связанной с куда более мощным взрывом, порождает звуки ещё на 2-3 октавы ниже. Так что в результате получается не соло, а целый хор.

Был ли прав Пифагор, рассказывавший две с половиной тысячи лет назад о музыке сфер, мы пока не знаем. Но то, что в космическом пространстве существует музыка чёрных дыр, теперь не вызывает сомнений.