Быстрее скорости света: новый взгляд на джет черной дыры M87*

Астрономы, работающие с космическим рентгеновским телескопом NASA «Чандра», получили самое детальное на сегодняшний день изображение джета — струи вещества, — вырывающейся из сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87 (M87).

Если эта черная дыра кажется вам знакомой, то неспроста: в 2019 году она вошла в историю как первая черная дыра, изображение которой удалось получить человечеству.

M87* расположена на расстоянии около 55 миллионов световых лет от Земли и жадно поглощает падающие на нее газ и пыль. В ходе этого процесса материя направляется к полюсам черной дыры, масса которой в 6,5 миллиарда раз превышает солнечную. Это вещество выбрасывается наружу со скоростями, приближающимися к скорости света, в виде мощных джетов, простирающихся на тысячи световых лет.

Джеты M87* уже попадали в объективы телескопов в других диапазонах, например в оптическом и инфракрасном, однако это самый детальный взгляд на них именно в рентгеновских лучах. И рентгеновский диапазон раскрыл сложный поток материи внутри джетов, который оказался куда динамичнее, чем считалось ранее.

«Мы и раньше замечали изменения в джете, но никогда — с таким уровнем детализации в рентгеновском диапазоне», — отметила Камилла Пуатре, аспирантка факультета естественных наук и инженерии Университета Лаваля и ведущий автор исследования, в официальном заявлении. «Структуры, которые раньше сливались воедино, теперь можно различить, что позволяет нам лучше проследить эволюцию джета на протяжении более чем десяти лет наблюдений».

Некоторые структуры в джетах, казалось, двигались со скоростью, в пять раз превышающей скорость света. Разумеется, это невозможно: согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, ни один объект, обладающий массой, не может двигаться со скоростью света или быстрее. Это так называемое сверхсветовое движение — не открытие, ломающее устои вселенной, а оптическая иллюзия, возникающая, когда материя движется с околосветовой скоростью прямо по направлению к Земле.

Наблюдения «Чандры» за джетом M87* — это важный шаг вперед в понимании физики этих потоков вещества и того, как частицы, из которых они состоят, ускоряются до столь высоких скоростей и огромных энергий. Кроме того, поскольку именно через джеты сверхмассивные черные дыры возвращают энергию обратно в окружающее пространство, эти наблюдения также помогут составить более полную картину того, как эти космические титаны влияют на эволюцию своих родных галактик.

«Эти результаты демонстрируют, насколько уникально мощным инструментом остается "Чандра" для отслеживания эволюции экстремальных явлений на протяжении длительного времени», — говорится в заявлении члена команды Геррита Шелленбергера, астрофизика из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA). «Они помогают нам лучше понять, как энергия, высвобождаемая вблизи сверхмассивной черной дыры, переносится через ее джет и распределяется в окружающей галактике».

Особое внимание ученых привлек узел яркости, зафиксированный на расстоянии примерно 500 световых лет от черной дыры. Сравнив снимки 2012 и 2023 годов, команда обнаружила, что этот сгусток плазмы не просто сместился, но и заметно потускнел, потеряв часть энергии на взаимодействие с межзвездной средой. Это первое прямое доказательство того, что джет «тормозится» не только у своего основания, но и далеко в межгалактическом пространстве.

«Мы видим, как джет буквально вспахивает пространство, — пояснила Пуатре. — Рентгеновское излучение выдает области, где частицы резко меняют траекторию, сталкиваясь с магнитными полями и окружающим газом».

Исследователи надеются, что дальнейшие совместные наблюдения «Чандры» и наземных радиотелескопов, таких как «Телескоп горизонта событий», позволят наконец разгадать загадку, мучающую астрофизиков десятилетиями: где именно в структуре джета рождаются рентгеновские фотоны? Возможно, ответ кроется в микроскопических нестабильностях плазмы, которые существующие модели пока не способны воспроизвести.

Исследование команды было представлено на 248-м съезде Американского астрономического общества, а его препринт доступен на портале arXiv.