Мы знаем, что в центре нашей Галактики Млечный Путь находится сверхмассивная чёрная дыра (СМЧД). Астрономы считают, что в центре большинства спиральных галактик есть такие же объекты, и что СМЧД сосуществуют и коэволюционируют со своими галактиками-хозяевами. Однако им не удалось обнаружить их во всех спиральных галактиках. Галактику M83, известную как Южный Вертун, всегда считали загадкой, поскольку учёные не видели никаких доказательств существования СМЧД в её центре. Возможно, телескоп JWST наконец-то нашёл их.
Спиральные галактики — одни из самых поразительных объектов в природе. Попросите ребёнка нарисовать галактику, и он, скорее всего, изобразит спираль. Эти формы запечатлелись в сознании любознательных людей. Вполне естественно, что астрономы хотят лучше их понять.
Усилия по изучению этих галактик, включая нашу собственную, принесли свои плоды. В последнее время астрономы обнаружили СМЧД в сердцах многих спиральных галактик. Они считают, что не во всех спиральных галактиках есть СМЧД, но они присутствуют в тех, у которых есть значительные спиральные вздутия. Однако, направляя свои телескопы на некоторые спирали, в которых должна быть СМЧД, они ничего не находили там, где она должна быть. Южный Вертун (M83) — одна из таких галактик.
Всем известно, что чёрную дыру невозможно увидеть. Ни свет, ни информация не могут быть обнаружены за её горизонтом событий. Как только что-то исчезает за горизонтом событий, оно пропадает навсегда.
Однако сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) — это чрезвычайно массивные объекты, которые могут содержать десятки миллиардов масс Солнца. Вся эта масса оказывает глубокое влияние на окружающую среду, и обнаружение СМЧД означает обнаружение доказательств этого влияния.
Одно из главных доказательств наличия СМЧД появляется, когда они активно аккрецируют материал. В этом случае их называют активными галактическими ядрами (АГЯ). Когда СМЧД притягивает материал к себе, он собирается в аккреционный диск вокруг чёрной дыры. Материал нагревается и излучает энергию, которую могут обнаружить телескопы. Однако обнаружение этой энергии — непростая задача.
Иногда область скрыта газом и пылью, и, несмотря на все усилия астрономов, они не могут обнаружить характерные энергетические признаки присутствия СМЧД. Некоторые галактики находятся так далеко, что вероятность обнаружения СМЧД очень мала, а неактивные объекты также трудно обнаружить. Предыдущие исследования показали, что в M83 нет ни АГЯ, ни СМЧД, либо они слишком сильно скрыты пылью, чтобы их можно было обнаружить.
Космический телескоп JWST — относительно новый инструмент в арсенале астрономов, который способен видеть сквозь толстую пыль лучше, чем любой предыдущий телескоп. В новом исследовании, опубликованном в «The Astrophysical Journal», представлены доказательства наличия СМЧД в M83. Статья называется «Обнаружение [Ne v] и [Ne vi] в M83 с помощью JWST/MIRI: доказательства существования давно искомого активного галактического ядра?». Ведущий автор — Свеа Эрнандес, астроном из Института космического телескопа.
«В течение многих лет астрономы безуспешно искали чёрную дыру в галактике M83. Теперь у нас наконец-то есть веское доказательство, которое указывает на возможное её наличие», — говорит Линда Смит из Института науки космического телескопа.
Исследование сосредоточено на первом обнаружении ионизированного неона в ядерной области галактики M83. Авторы утверждают, что быстрые радиационные ударные волны и облако газа, ионизированное активным галактическим ядром, могут быть ответственны за появление этих линий излучения неона. Быстрые радиационные ударные волны возникают в аккреционных дисках чёрных дыр и при столкновении струй вытекающего из чёрных дыр газа с окружающим веществом. В этой работе астрономы обнаружили Ne V и Ne VI — высокоионизированные формы неона, которые образуются только при воздействии высокоэнергетических фотонов или столкновений.
Авторы объясняют, что излучение Ne V исторически использовалось для обнаружения активности активных галактических ядер. «Мощность излучения MIR [Ne V] заключается в том, что оно может легче выявить наличие активных галактических ядер, даже когда объект скрыт в оптическом диапазоне», — пишут они. Галактики со звёздообразованием не могут производить такое излучение.
«Наше открытие высокоионизированного неона в ядре галактики M83 было неожиданным, — говорит ведущий автор Эрнандес. — Для образования таких сигнатур требуется большое количество энергии, больше, чем могут генерировать обычные звёзды. Это убедительно указывает на наличие активного галактического ядра, которое до сих пор ускользало от обнаружения».
Эти результаты были получены благодаря среднеинфракрасному прибору (MIRI) телескопа JWST. Частицы пыли в космосе обычно имеют тот же размер или меньше длины волны видимого света. Это означает, что пыль может рассеивать видимый свет, поэтому пылевые облака непрозрачны для него.
Однако длины волн среднего инфракрасного диапазона больше, чем размеры пылевых зёрен. Вместо рассеяния они могут проходить сквозь большую часть пыли. Это похоже на то, как длинные радиоволны не блокируются крупными объектами, такими как здания, в отличие от видимого света. Инфракрасный свет — ключ к наблюдению многих объектов в астрономии, и телескоп JWST был создан для использования этого факта.
«До появления телескопа „Уэбб“ у нас просто не было инструментов для обнаружения таких слабых и высокоионизированных газовых сигнатур в ядре M83, — добавила Свеа. — Теперь, благодаря его невероятной чувствительности в среднеинфракрасном диапазоне, мы наконец-то можем исследовать эти скрытые глубины галактики и раскрыть то, что когда-то было невидимо».
Астрономы обнаружили скопления высокоионизированного газа вблизи центра, заглянув сквозь толстую пыль, скрывающую ядерную область M83, с помощью прибора MIRI. Звёзды не могут произвести такой газ, потому что у них недостаточно энергии. Даже взрывающиеся сверхновые не способны на это. Методом исключения наиболее вероятным объяснением становится активное галактическое ядро, хотя исследователи не могут однозначно утверждать, что в M83 есть сверхмассивная чёрная дыра.
Остаются и другие возможные причины, например, мощные ударные волны в межзвёздной среде. Излучение неона исходит из довольно широкой области, что может указывать на источник, отличный от активного галактического ядра. «Кроме того, учитывая относительно протяжённый характер наблюдаемого излучения [Ne V], возможным сценарием может быть комбинация источников (ударные волны, рентгеновские двойные системы с массивными звёздами, активные галактические ядра), производящих высокую ионизацию, отслеживаемую этими среднеинфракрасными линиями», — пишут авторы в заключении статьи.
«„Уэбб“ революционизирует наше понимание галактик, — сказала соавтор Линда Смит из Института науки космического телескопа. — В течение многих лет астрономы безуспешно искали чёрную дыру в M83. Теперь у нас наконец-то есть веское доказательство, которое указывает на возможное её наличие».