Величайший взрыв в наблюдаемой Вселенной
Ученые не поверили собственным данным
Астрономы зафиксировали свидетельство катаклизма — самого большого взрыва в наблюдаемой Вселенной. Речь идет о колоссальном выбросе вещества из центральной галактики скопления Змееносца в 390 млн световых лет от Солнца.
Фото: NASA
Скопления галактик и их бурная жизнь
Во Вселенной много объектов, которые не распадаются на части благодаря тому, что связаны собственной гравитацией: планеты, звезды, галактики и скопления галактик. Скопления состоят из тысяч галактик, окружающего их горячего газа и огромного облака темной материи. Газ так горяч, что испускает рентгеновские лучи. Скопление Змееносца — вторая по рентгеновской яркости система галактик на небосклоне.
В 2016 году астрономы исследовали этот объект с помощью рентгеновского телескопа Chandra. Им бросилось в глаза, что облако горячего газа вокруг центральной галактики скопления как будто оборвано с юго-восточного края.
Рентгеновское излучение по данным телескопа XMM-Newton показано розовым цветом, радиоволны по данным телескопа GMRT – синим цветом и инфракрасные лучи по данным телескопа 2MASS – белым цветом. На вставке в нижнем правом углу показан увеличенное рентгеновское изображение по данным телескопа Chandra (также розовым цветом). Яркие белые точки, разбросанные по всему изображению, – объекты, находящиеся на переднем плане.
Такие структуры уже неоднократно наблюдались в разных скоплениях. Обычно их связывают с мощными выбросами вещества из центральной галактики, из окрестностей сверхмассивной черной дыры.
Черные дыры и как от них убежать
В центрах большинства известных галактик есть черные дыры массой в миллионы и миллиарды солнц. Такой объект окружен огромным облаком постепенно падающего на него вещества. Эта материя раскалена до огромных температур и ярко светится во всех диапазонах, от радиоволн до гамма-излучения. По свечению обычно и обнаруживают хищниц.
Черные дыры славятся как объекты, от которых ничто не может ускользнуть, но эта слава преувеличена. На самом деле есть четко определенная дистанция невозврата, зависящая от массы черной дыры. И если уж астрономы видят вокруг черной дыры облако материи, то оно еще не пересекло роковой черты — иначе его излучение никогда не добралось бы до телескопов.
Большая часть этого вещества, безусловно, постепенно попадет в смертельные объятия. Но бурные процессы в нем иногда приводят к образованию мощных струй раскаленного газа, бьющих в окружающий космос, прочь от черной дыры.
Механизмы, стоящие за этим явлением, изучены еще не до конца. Такие фонтаны могут быть постоянными или временными, интенсивными или не очень. Иногда речь идет о кратковременном по астрономическим меркам, но очень мощном выбросе: плотные струи вырываются из родительской галактики и буквально выдувают из ее окрестностей окружающий горячий газ. Симметрия газового облака нарушается, и оно становится похоже на надкушенное яблоко или тарелку с отбитым краем.
Аттракцион невиданной мощности
Сначала астрономы предположили, что именно это и произошло в скоплении Змееносца, как и во многих других известных скоплениях галактик. Но их смутили цифры.
Пробел в горячем газе впечатляет размерами. В него уместилось бы 15 таких объектов, как Млечный Путь,— а наша звездная система достаточно крупная даже по меркам галактик.
Согласно расчетам, на подобный выброс вещества из окрестностей черной дыры потребовалось бы 5?1061 эрг энергии. Это в триллион раз выше энерговыделения Солнца за миллиард лет. Это в сотни и тысячи раз больше типичной мощности подобных катаклизмов в других скоплениях галактик. Это примерно впятеро превосходит предыдущий рекорд, поставленный скоплением MS 0735+74. Это вообще самый грандиозный взрывообразный катаклизм, когда-либо открытый наукой. По мысли авторов работы 2016 года, подобная катастрофа должна была бы разрушить облако относительно холодного газа в центре скопления, которое между тем до сих пор существует.
В конце концов эксперты решили, что взрыва не было — а просто скопление Змееносца некогда поглотило другое скопление галактик. Актом космического каннибализма ученые и объяснили странную форму, которую принял горячий газ.
Этого не могло быть, но было
Однако новая научная работа, уже принятая к публикации в Astrophysical Journal, изменила все. Она вернула актуальность, казалось бы, невероятному сценарию.
Астрономы подтвердили асимметрию облака горячего газа с помощью независимых наблюдений на другом рентгеновском телескопе, XMM-Newton. Но они не просто перепроверили наблюдения коллег. Они обнаружили важный признак, указывающий, что выброс вещества из окрестностей черной дыры действительно был.
Пробелы в горячем газе, оставленные подобными космическими шквалами,— не абсолютная пустота. Они заполнены электронами, разогнанными в момент катаклизма почти до скорости света. Эти частицы излучают радиоволны на низких частотах. Подобная картина много раз наблюдалась в скоплениях галактик, испытавших выбросы меньшей мощности.
Авторы сканировали скопление Змееносца с помощью радиотелескопов MWA в Австралии и GMRT в Индии. Эти установки работают как раз на необходимых длинах волн: от одного до четырех метров. Наблюдатели обнаружили, что область, темная для рентгеновских телескопов, ярко сияет на радиоизображениях. По образному выражению соавтора нового исследования Максима Маркевича из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, регион повышенной радиояркости входит в пробел на рентгеновском изображении как рука в перчатку. Это именно то, что и ожидали увидеть сторонники гипотезы выброса: полость в горячем газе, испускающем рентгеновские лучи, заполнена электронами, излучающими радиоволны.
Выходит, космический катаклизм действительно был. К слову, назвать это явление скоротечным взрывом можно только по меркам жизненного цикла галактик. По расчетам астрономов, струи из окрестностей черной дыры выметали газ в пространство в течение сотен миллионов лет. За это время некоторые звезды успевают родиться, состариться и умереть. Впрочем, нашему Солнцу около пяти миллиардов лет, и оно собирается светить еще примерно столько же. А галактики (в том числе и наша) и вовсе возникли вскоре после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад.
Почему извержение в скоплении Змееносца началось — загадка. Но ученые представляют себе, почему оно закончилось. Можно сказать, что эта катастрофа остановила сама себя. Ее колоссальная энергия все-таки не разрушила центральное и относительно прохладное уплотнение в облаке газа, как полагали авторы предыдущего исследования (в чем они ошиблись — сложный вопрос, который еще предстоит решить). Но она сместила этот плотный регион относительно центральной галактики. В результате ее черная дыра осталась без материи, подпитывающей бьющие из ее окрестностей струи. Ныне облако падающего на нее вещества довольно заурядно по меркам этих сверхмассивных монстров.