Чорна діра Чумацького Шляху запускає таємничі спалахи

Всесвіт сповнений чудес, але небагато з них так зачаровують, як непередбачуваний блиск надмасивної чорної діри. У центрі Чумацького Шляху, на відстані 26 000 світлових років від Землі, Стрілець A* мерехтить і спалахує в безперервній небесній виставі. На відміну від безтурботної темряви, яка часто асоціюється з чорними дірами, ця ніч не мовчить. Уявіть собі диско-кулю в глибокому космосі, яка випромінює спалахи енергії по всьому космосу. Це космічне динамо створює швидкі спалахи, деякі тривають лише секунди, тоді як інші яскраво горять протягом тривалого часу.

Спалахи чорної діри, розкидані в різних часових масштабах, не схожі на те, що астрономи очікували побачити. Завдяки космічному телескопу Джеймса Вебба дослідники тепер мають найчіткіший і найдовший погляд на цю дивовижну діяльність, відкриваючи хаотичну, але захоплюючу картину.

Таємничі спалахи чорної діри

Протягом десятиліть чорні діри залишалися загадковими, їхня величезна гравітаційна сила поглинала все на їхньому шляху. Вчені змогли вивчити їх лише за допомогою непрямих спостережень, таких як вплив на сусідні зірки або випромінювання, випромінюване розігрітим газом, що падає в безодню.

Але тепер, завдяки камері ближнього інфрачервоного діапазону Вебба (NIRCam), астрофізики можуть спостерігати Стрілець A* у дії, як ніколи раніше. Зазирнувши глибоко в серце нашої галактики, Вебб зафіксував безперервну послідовність спалахів, що вибухають з навколишнього акреційного диска чорної діри. Ці спалахи бувають різної інтенсивності, одні як короткі мерехтіння, а інші як тривалі, сліпучі спалахи. Що робить це відкриття ще більш інтригуючим, так це повна непередбачуваність явища.

Чорна діра, яка ніколи не заспокоюється

Фархад Юсеф-Заде з Північно-Західного університету, який керував дослідженням, описав діяльність чорної діри як світло, що постійно змінюється.

«У наших даних ми бачили постійну зміну, киплячу яскравість», — сказав Юсеф-Заде. «А потім бум! Раптом виник великий спалах яскравості. Потім знову заспокоїлося». «Ми не змогли знайти закономірності в цій діяльності. Здається, це випадково. Профіль активності цієї чорної діри був новим і захоплюючим щоразу, коли ми дивилися на неї».

Ці відкриття малюють картину чорної діри, яка ніколи не спочиває. Акреційний диск, що оточує Стрілець A*, вивільняє постійний потік енергії, створюючи безперервне видовище феєрверку.

Спостереження за нестійким гігантом

Дослідницька група спостерігала за Стрільцем A* протягом року, загалом 48 годин прямого спостереження з кроком у вісім-десять годин. Цей тривалий період спостережень дозволив їм відстежити поведінку чорної діри з часом, виявивши її постійну спалахову активність. Результати перевершили очікування. Хоча вчені передбачали певний рівень спалаху, частота та інтенсивність цих спалахів були несподіваними. Акреційний диск створює від п’яти до шести великих спалахів щодня, які чергуються з меншими, непередбачуваними спалахами. Деякі виверження слабкі та короткочасні, тоді як інші сяють з інтенсивністю, яка перевершує цілі зоряні системи.

Пояснення спалахів чорної діри

Незважаючи на це хаотичне зображення, дослідники вважають, що спалахи чорної діри викликають два різні процеси. Менші, короткочасні сплески, ймовірно, є результатом незначних збурень всередині закрученого акреційного диска. Ці збурення спричиняють стиснення кишень плазми – гарячого, електрично зарядженого газу – з вивільненням коротких, раптових спалахів енергії. Юсеф-Заде порівняв це явище з сонячними спалахами.

«Це схоже на те, як магнітне поле Сонця збирається, стискається, а потім спалахує сонячний спалах», – пояснив він. «Звичайно, процеси більш драматичні, тому що середовище навколо чорної діри є набагато більш енергійним і набагато більш екстремальним. Але поверхня Сонця також кипить активністю». Тим часом найпотужніші спалахи, здається, спричинені подіями магнітного перез’єднання. Вони виникають, коли заплутані магнітні поля всередині акреційного диска замикаються та переналаштовуються, вивільняючи величезну кількість енергії.

«Магнітне повторне з’єднання схоже на іскру статичної електрики, яка, у певному сенсі, також є «електричним повторним з’єднанням», – зазначив Юсеф-Заде.

Втрати енергії при спалахах чорних дір

Одним із найбільш інтригуючих відкриттів спостережень Вебба стала незначна, але важлива затримка часу яскравості спалахів чорної діри. Оскільки NIRCam може спостерігати дві довжини хвилі одночасно – 2,1 і 4,8 мікрона, вчені змогли порівняти, як спалахи змінювалися на кожній довжині хвилі. Вони помітили дещо несподіване: події на короткій довжині хвилі постійно світлішали перед подіями на більшій довжині хвилі. Затримка коливалася від кількох секунд до 40 секунд.

«Це перший раз, коли ми спостерігаємо затримку в часі вимірювань на цих довжинах хвиль», — сказав Юсеф-Заде. «Ми спостерігали ці довжини хвиль одночасно з NIRCam і помітили, що більша довжина хвилі відстає від коротшої на дуже невелику величину».

Ця затримка дає важливе розуміння фізичних процесів, що оточують чорну діру. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що частинки у спалаху поступово втрачають енергію з часом, спочатку тьмяніючи на коротших довжинах хвиль, а потім згасаючи на більших довжинах хвиль. Результати показують, що частинки, відповідальні за випромінювання, ймовірно, обертаються по спіралі навколо ліній магнітного поля, поступово випромінюючи свою енергію.

Дивлячись глибше в хаос

Щоб краще зрозуміти Стрілець A*, дослідницька група сподівається проводити ще триваліші спостереження в майбутньому. Вони прагнуть безперервно спостерігати за чорною дірою протягом 24 годин, зменшуючи перешкоди від фонового шуму та створюючи ще більш чітку картину діяльності.

«Коли ви дивитеся на такі слабкі спалахи, ви повинні конкурувати з шумом», — сказав Юсеф-Заде. «Якщо ми можемо спостерігати протягом 24 годин, то ми можемо зменшити шум, щоб побачити особливості, які ми не могли побачити раніше. Це було б дивно. Ми також можемо побачити, чи повторюються ці спалахи, чи вони справді випадкові».

Подовжуючи період спостереження, дослідники сподіваються відповісти на критичні запитання: чи слідують ці спалахи чорних дір за прихованою схемою? Чи існують зовнішні фактори, що впливають на частоту вивержень? Або ця випадковість є фундаментальною характеристикою самої чорної діри?

Вікно в невідоме

Стрілець A* продовжує кидати виклик розумінню вченими чорних дір та їх поведінки. Космічний телескоп Джеймса Вебба відкриває безпрецедентний огляд у серце нашої галактики, відкриваючи новий погляд на процеси, які керують цими таємничими космічними сутностями. Ця міжнародна співпраця, очолювана NASA у партнерстві з ESA та CSA, не лише розкриває таємниці нашої власної галактики, але також проливає світло на природу чорних дір у Всесвіті. З кожним новим відкриттям астрономи наближаються до розуміння екстремальної фізики, яка діє в глибинах космосу. Центральна чорна діра Чумацького Шляху може залишатися непередбачуваною, але завдяки передовій технології та наполегливим спостереженням її космічний феєрверк більше не прихований у тіні. Дослідження опубліковано в The Astrophysical Journal Letters.