Центр нашей галактики: Черная дыра в центре нашей Галактики

Ядро нашей Галактики представлено таким, каким мы его еще никогда не видели

АстрономияАстрофизика

27.08.2022

1 985 3 минут чтения

Используя инфракрасные данные, полученные с помощью прибора HAWK-I, исследователи впервые получили представление о центральном ядре Млечного Пути. Наблюдения помогают им реконструировать историю звездообразования в нашей Галактике.

Общая скорость звездообразования в нашей Галактике невысока, астрономам это уже давно известно. Однако в центральном ядре Млечного Пути, соответствующем области около 1300 световых лет вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, скорость звездообразования за последние 100 миллионов лет была в десять раз выше средней. Ядро нашей галактики столь же продуктивно, как звездные вспышки или как гиперпродуктивные галактики десятимиллиардной давности.

С помощью детальных инфракрасных наблюдений ученые впервые смогли взглянуть на множество молодых звезд в галактическом ядре. Наблюдения дают доказательства того, что звездообразование началось вблизи центра Млечного Пути, а затем развивалось наружу.

Звезды ядра Галактики и проблемы наблюдений

Если смотреть с Земли, то звезды, принадлежащие галактическому ядру, скрыты за большим количеством пыли. Однако эта проблема легко решается с помощью инфракрасных, миллиметровых волн или радио наблюдений. На этих длинах волн свет проходит сквозь пыль, позволяя нам увидеть галактический центр.

Решив первую проблему, возникает другая: галактический центр настолько переполнен звездами, что их трудно различить. Исключение составляют несколько очень ярких гигантов, которые отличаются своей массой и поэтому могут быть легко отделены от своих соседей. До проведения нового анализа, описанного здесь, астрономы обнаружили лишь около 10 процентов ожидаемой общей звездной массы в галактическом центре, в двух массивных звездных скоплениях и нескольких изолированных молодых звездах. Где же тогда все остальные звезды и каковы их свойства?

Новая перепись инфракрасных звезд с помощью HAWK-I

Франсиско Ногерас-Лара, независимый гумбольдтовский исследователь в группе Лизы Мейтнер Надин Ноймайер в Институте астрономии Макса Планка (MPIA), и их коллега Райнер Шедель в Институте астрофизики Андалусии в Гранаде, Испания, оказались в уникальном положении, чтобы найти молодые звезды, отсутствующие в галактическом центре.

Шедель является главным исследователем (PI) GALACTICNUCLEUS, исследования, в котором использовалась инфракрасная камера HAWK-I Очень большого телескопа (VLT) для получения почти 150 изображений (в инфракрасном диапазоне J-, H- и K) центральной области Млечного Пути, охватывающих общую площадь 64 000 квадратных световых лет вокруг галактического центра. Ногерас-Лара руководил поисками.

Для обнаружения отдельных звезд в таком переполненном регионе, как галактическое ядро, требуется высокое разрешение. VLT состоит из телескопов с 8-метровыми зеркалами. Используя метод, известный как голографическая съемка, который объединяет несколько снимков с короткой экспозицией для смягчения эффекта размытия земной атмосферы, исследование смогло составить самую подробную карту целевого региона с разрешением 0,2 угловых секунды. Если раньше на карту были нанесены лишь несколько звезд, то GALACTICNUCLEUS предоставил индивидуальные данные для 3 миллионов звезд.

В галактическом ядре происходят различные фазы звездообразования

Изучая изображения GALACTICNUCLEUS, исследователи сразу же заметили, что область галактического ядра, известная как Стрелец B1, была другой. В ней содержится значительно больше молодых звезд, которые ионизируют окружающий газ, чем в других регионах. Благодаря новым наблюдениям Ногерас-Лара и его коллеги впервые смогли детально изучить звезды Стрельца B1.

В частности, поскольку все звезды Стрельца B1 находятся примерно на одинаковом расстоянии от Земли, а расстояние между Землей и галактическим центром известно, астрономы смогли восстановить светимость каждой звезды. Это внутренняя светимость, которая соответствует количеству света, излучаемого звездой в единицу времени. Это позволило им изучить статистическое распределение звездной светимости для этих звезд, то есть подсчитать, сколько звезд было в каждом диапазоне светимости. Проанализировав эти данные, Ногерас-Лара, Шёдель и их коллеги обнаружили, что в Стрельце B1 существует несколько различных фаз звездообразования:

• Более древнее население, сформировавшееся около 7 миллиардов лет назад. Его наличие может указывать на то, что звездообразование в центральном ядре началось во внутреннем регионе, а затем распространилось на внешние области. Для других галактик этот механизм образования так называемого ядерного диска, небольшого диска звезд, окружающего галактический центр, уже наблюдался.
• Существует большая популяция гораздо более молодых звезд, возраст которых составляет всего 10 миллионов лет или даже меньше. Их общая масса составляет более 400 000 солнечных масс. Это почти в десять раз превышает суммарную массу двух ранее известных массивных звездных скоплений в центральной области.

Реконструкция истории звезд в Млечном Пути

Многие звезды, обнаруженные исследователями в Стрельце B1, изолированы и не являются частью массивного скопления. Это позволяет предположить, что они возникли в одной или нескольких звездных ассоциациях, менее ограниченных взаимной гравитацией, которые затем быстро распались, вращаясь вокруг галактического центра в масштабах нескольких миллионов лет, оставив после себя множество отдельных звезд. Хотя этот результат относится в первую очередь к Стрельцу B1, он также может объяснить в более общем плане, почему молодые звезды в центре Галактики могут быть обнаружены только с помощью исследований высокого разрешения, таких как настоящая работа: они возникли в свободных ассоциациях, которые затем рассеялись на отдельные звезды.

Однако для реконструкции истории звездообразования и общей эволюции галактического ядра астрономы стремятся поставить свои выводы на более прочную основу, чем инфракрасные наблюдения HAWK-I. Ногерас-Лара и его коллеги планируют продолжить свои наблюдения с помощью высокоточного спектрографа KMOS, установленного на VLT. Спектральные наблюдения позволят астрономам напрямую идентифицировать некоторые из очень молодых звезд по внешнему виду их спектров. Это было бы важной перекрестной проверкой опубликованных сейчас результатов.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Межзвездная пыль позволила ученым взглянуть на Млечный Путь из далеких галактик

26 октября, 2022 15:19

Источник:

пресс-служба МФТИ

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Крымской астрофизической обсерватории посмотрели на Млечный Путь из далеких галактик. В этом им помогли квазары — маяки Вселенной — одни из самых ярких объектов в космосе, которые находятся в миллиардах световых лет от Земли. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Поделиться

Карта распределения турбулентных плазменных экранов Галактики, рассеивающих радиоизлучение квазаров. Красный цвет соответствует сильному, а темно-синий — слабому рассеянию. Источник: пресс-служба МФТИ

Невозможно увидеть полную структуру нашей Галактики с Земли, поскольку мы находимся внутри нее. Нужны «фотографии» Млечного Пути «снаружи». В качестве таких «фотографий» астрофизики используют радиоизображения, получаемые от далеких галактик. На эти изображения оказывают влияние облака пыли и газа, заполняющие все пространство между звездами в нашей Галактике. Проходя сквозь них, радиоизлучение рассеивается, а изображения «размазываются». Но «кто нам мешает, тот нам поможет», решили российские ученые и сформировали наиболее полную на сегодняшний день карту распределения крупномасштабных рассеивающих экранов в межзвездной среде Галактики. В этом им помогли далекие квазары.

«Наша задача заключалась в том, чтобы исследовать, насколько сильным является рассеяние радиоволн в различных направлениях на небе, и построить первую детальную карту пространственного распределения таких областей — мощных рассеивающих экранов Млечного Пути», — рассказал об исследовании Александр Пушкарев, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории и ФИАН.

Межзвездная среда может обладать высокой турбулентностью, вызванной взрывными процессами в результате эволюции звезд в Галактике, а также влиянию космических лучей. Прохождение радиоволн через турбулентную плазму приводит к рассеянию излучения и, как следствие, к искажению изображения источника. Изучение эффектов рассеяния радиоволн позволяет восстанавливать истинное изображение далеких космических объектов. 

«В нашей работе мы показали, что рассеивающие экраны концентрируются к плоскости Галактики в направлениях на ее центр, а также области вспышек сверхновых — сильнейших взрывов на финальных стадиях звездной эволюции», — пояснила Татьяна Корюкова, аспирантка ФИАН.  

В качестве просвечивающих маяков традиционно использовали пульсары нашей звездной системы из-за их крайне малых размеров, всего около 10 км в диаметре. Но квазары более многочисленны, и вдобавок их излучение проходит через всю глубину Галактики. 

«Астрономам всегда интересно понять, как распределено вещество в нашей Галактике Млечный Путь, и мы здесь просвечиваем его с помощью далеких маяков — ядер других галактик. По тому, как меняется их излучение, мы понимаем состав и расположение межзвездной среды, и это позволяет нам изучить наш космический дом еще лучше», — отметил Александр Плавин, научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

Таким образом, исследование имеет важное прикладное значение: новая детальная карта мощности галактического рассеяния позволит ученым учитывать этот эффект для широкого круга задач современной астрофизики.

«Я добавлю один конкретный пример, который у многих на слуху, — тень черной дыры, тот самый “оранжевый бублик” в центре нашей Галактики, который астрофизики обнародовали в конце мая 2022 года. Расстояние до этой черной дыры 27 тыс. световых лет, ее масса — примерно 4 млн масс Солнца. Почему же астрономам понадобились годы на восстановление этой картинки? Как это ни печально, черная дыра спрятана от наблюдателей очень плотным облаком межзвездной плазмы; астрономы долгие долгие годы видели там только размытое пятно. Для того, чтобы хоть что-то разглядеть, им пришлось сильно потрудиться и провести наблюдения на очень короткой волне — 1,3 мм», — подытожил Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник МФТИ и ФИАН.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда. 

Теги

Физика и космос

Сотни загадочных нитей пересекают центр нашей Галактики

Радиотелескопы получили самые подробные изображения сотен нитей, протянувшихся через центр нашей галактики. Эти загадочные струны иногда имеют длину более 150 световых лет, иногда сгруппированные в узоры.

«Некоторые из них прекрасны — они выглядят как струны в форме арфы рядом друг с другом», — говорит Фархад Юсеф-Заде, астрофизик из Северо-Западного университета, который руководил недавним исследованием нитей, опубликованным в The Astrophysical Journal Letters.

Но исследователи до сих пор не уверены в причине появления этих особенностей в космосе. «Большой вопрос: каково происхождение этих нитей?» — говорит Юсеф-Заде. «Загадка все еще существует, и тайна продолжается».

Одна из гипотез предполагает, что они могут быть связаны с черной дырой в центре Млечного Пути, изображение которой впервые было получено на этой неделе.

Подробнее: Черная дыра в сердце Млечного Пути впервые сфотографирована

Первоначальное открытие

Юсеф-Заде впервые обнаружил эти нити в 1980-х годах, используя радиоволны, полученные с помощью очень большого массива Янски, объекта в центральной части Нью-Мексико, находящегося в ведении Национальной радиоастрономической обсерватории. В то время инструменты выявили только около 80 таких космических нитей.

Но недавние изображения были получены с помощью MeerKAT, массива радиотелескопов, находящегося в ведении Южноафриканской радиоастрономической обсерватории правительством Южной Африки. MeerKAT выявил в 10 раз больше нитей, чем обнаружил Юсеф-Заде.

«[MeerKAT] может наблюдать за ядром нашей галактики 12 часов по 13 часов в день, — говорит Юсеф-Заде. В общей сложности группа провела около 200 часов наблюдения за этими нитями. В итоге Юсеф-Заде собрал воедино 20 различных наблюдений из разных участков неба, чтобы получить более полную картину того, что происходило на расстоянии 25 000 световых лет в центре нашей галактики Млечный Путь.

Какие нити?

Первоначальные наблюдения в 1980-х годах показали, что нити состоят из электронов космических лучей, вращающих магнитное поле почти со скоростью света. Исследователи не знают, почему и откуда они взялись.

«Как вам удается ускорять электроны до таких высоких энергий?» — говорит Юсеф-Заде.

Длина самой длинной из этих нитей составляет около 163 световых лет, или 50 парсеков, что в 50 раз превышает расстояние, измеренное между нашим Солнцем и ближайшей к нам звездой. Самая короткая имеет длину несколько парсеков.

Исследователи теперь знают, что изменения в излучении, исходящем от этих нитей, сильно отличаются от того, что может быть вызвано сверхновой. Но нити кажутся частицами, теряющими энергию при движении в пространстве. Мы еще не знаем, становятся ли нити длиннее или короче, например, или меняются со временем, что может означать, что они тянутся за каким-то движущимся объектом, например за хвостом кометы.

Возможные причины

У Юсефа-Заде есть пара гипотез о том, что могло вызвать эти странные узоры.

Поскольку они не вызваны вспышкой сверхновой, возможно, нити связаны с прошлой активностью черной дыры в центре Млечного Пути. Отток мог выбросить материал из черной дыры в прошлом, и эти нити могут быть следом этого материала. Или прошлый поток из черной дыры мог взаимодействовать с другими объектами на своем пути, создавая эти следы. Также может быть, что эти нити были созданы очень турбулентной средой в центре Млечного Пути.

Первое прямое изображение сверхмассивной черной дыры Млечного Пути показывает оранжевое светящееся кольцо — газ, нагретый при падении в сингулярность — с тенью черной дыры в центре.
(Источник: EHT Collaboration)

«Вам нужен мощный двигатель, чтобы разгонять частицы с таких высоких энергий», — говорит Юсеф-Заде. Но наблюдения еще не выявили такого компактного источника, который мог бы показать, откуда взялись эти следы, если это действительно то, чем они являются. Если это так, то частицы время от времени будут терять энергию. Будущие наблюдения за теми же нитями могут показать, движутся ли они или нет, и с какой скоростью они движутся.

Новые изображения MeerKat показали, что некоторые нити группируются в узоры, по-видимому, из одного и того же источника, в то время как другие отделены от других нитей.

Другим возможным источником является большая структура пузыря, излучающая радиоволны, которую Юсеф-Заде и его коллеги обнаружили недалеко от центра нашей галактики в 2019 году. между ними примерно один парсек. Подобные паттерны вызывают вопросы о том, являются ли они следами какого-то целенаправленного замысла — например, что-то вроде инверсионных следов космических кораблей, летящих строем. Но на данный момент ученые не воспринимают всерьез такого рода предположения.

«Сеть различных группировок интригует, — говорит Юсеф-Заде. «Но, безусловно, [эти предположения] являются научной фантастикой».

Передайте привет Стрельцу A*, черной дыре в центре галактики Млечный Путь

12 мая 2022 года астрономы из команды Телескопа Горизонта Событий опубликовали изображение черной дыры под названием Стрелец A*, которая находится в центр галактики Млечный Путь. Крис Импи, астроном из Аризонского университета, объясняет, как команда получила это изображение и почему оно так важно.

1. Что такое Стрелец А*?

Стрелец A* находится в центре нашей галактики Млечный Путь, в направлении созвездия Стрельца. В течение десятилетий астрономы измеряли выбросы радиоволн из чрезвычайно компактного источника.

В 1980-х годах две группы астрономов начали отслеживать движение звезд вблизи этого таинственного источника радиоволн. Они видели звезды, вращающиеся вокруг темного объекта со скоростью до трети скорости света. Их движения предполагали, что в центре Млечного Пути находится черная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца. Рейнхард Гензель и Андреа Гез позже разделили Нобелевскую премию по физике за это открытие.

Размер черной дыры определяется ее горизонтом событий — расстоянием от центра черной дыры, за которое ничто не может ускользнуть. Ученые ранее смогли подсчитать, что Стрелец A * имеет диаметр 16 миллионов миль (26 миллионов километров).

Черная дыра Млечного Пути огромна по сравнению с черными дырами, оставшимися после гибели массивных звезд. Но астрономы считают, что в центре почти всех галактик есть сверхмассивные черные дыры. По сравнению с большинством из них Стрелец А* скуден и ничем не примечателен.

2. Что показывает новое изображение?

Невозможно получить прямое изображение черной дыры, потому что ни один свет не может вырваться из-под ее гравитации. Но можно измерить радиоволны, излучаемые газом, окружающим черную дыру.
Сотрудничество EHT, CC BY-SA

Сами по себе черные дыры абсолютно темные, поскольку ничто, даже свет, не может избежать их гравитации. Но черные дыры окружены облаками газа, и астрономы могут измерить этот газ, чтобы вывести изображения черных дыр внутри. Центральная темная область на изображении — это тень, отбрасываемая черной дырой на газ. Яркое кольцо — это сам светящийся газ. Яркие пятна на кольце показывают области более горячего газа, который однажды может упасть в черную дыру.

Часть газа, видимого на изображении, на самом деле находится позади Стрельца A*. Свет от этого газа отклоняется мощной гравитацией черной дыры к Земле. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, является основным предсказанием общей теории относительности.

Галактические ядра, как и центр Млечного Пути, видимый на этой фотографии, полны газа и мусора, что очень затрудняет получение каких-либо прямых изображений звезд или черных дыр там.
НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт, CC BY-NC

3. Что пошло на создание этого изображения?

Сверхмассивные черные дыры чрезвычайно трудно измерить. Они находятся далеко и окутаны газом и пылью, забивающей центр галактик. Они также относительно малы по сравнению с необъятностью космоса. От того места, где находится Стрелец А*, в 26 000 световых лет от центра Млечного Пути, только 1 из 10 миллиардов фотонов видимого света может достичь Земли — большая часть поглощается газом на пути. Радиоволны проходят через газ гораздо легче, чем видимый свет, поэтому астрономы измерили радиоизлучение газа, окружающего черную дыру. Оранжевые цвета на изображении представляют эти радиоволны.

Исследователи использовали восемь телескопов со всего мира, расположенных в точках пересечения белых линий, чтобы они действовали как единый массивный телескоп.
ЭСО/л. Кальсада, CC BY-ND

Команда использовала восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру, для сбора данных о черной дыре в течение пяти ночей в 2017 году. Каждую ночь генерировалось столько данных, что команда не могла отправить их через Интернет — им приходилось отправлять физические жесткие диски туда, где они обрабатывали данные.

Поскольку черные дыры так трудно увидеть, в данных, которые собирают телескопы, существует много неточностей. Чтобы превратить все это в точное изображение, команда использовала суперкомпьютеры для создания миллионов различных изображений, каждое из которых представляло собой математически жизнеспособную версию черной дыры, основанную на собранных данных и законах физики. Затем они смешали все эти изображения вместе, чтобы получить финальное красивое и точное изображение. Время обработки было эквивалентно работе 2000 ноутбуков на полной скорости в течение года.

4. Почему новое изображение так важно?

В 2019 году команда Event Horizon Telescope опубликовала первое изображение черной дыры — на этот раз в центре галактики M87. Черная дыра в центре этой галактики, названная M87*, представляет собой чудовище, в 2000 раз больше, чем Стрелец A*, и в 7 миллиардов раз больше массы Солнца. Но поскольку Стрелец A* находится в 2000 раз ближе к Земле, чем M87*, телескоп Event Horizon смог наблюдать обе черные дыры с одинаковым разрешением, что дало астрономам возможность узнать о Вселенной, сравнив их.

M87* слева в 2000 раз больше, чем Стрелец A* справа. Тонкие белые кружки обозначают размеры орбит планет Солнечной системы.
Сотрудничество с EHT (признание: Lia Medeiros, xkcd), CC BY-ND

Сходство двух изображений поразительно, потому что маленькие звезды и маленькие галактики выглядят и ведут себя совершенно иначе, чем большие звезды или галактики. Черные дыры — единственные существующие объекты, подчиняющиеся только одному закону природы — гравитации. И гравитации наплевать на масштаб.

Последние несколько десятилетий астрономы считали, что в центре почти каждой галактики есть массивные черные дыры. В то время как M87* — необычно огромная черная дыра, Стрелец A*, вероятно, очень похож на многие из сотен миллиардов черных дыр в центрах других галактик во Вселенной.