Астрономы нашли галактику с двумя сверхмассивными чёрными дырами

С помощью космического аппарата НАСА TESS астрономы обнаружили бинарную систему сверхмассивных чёрных дыр после того, как меньшая из пары чёрных дыр выпустила свою квазарную струю.

Бинарная система чёрных дыр в активной галактике, находящейся на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от нас, резко прибавила в яркости, когда одна из чёрных дыр прошла через аккреционный диск другой, на короткое мгновение создав двойной квазар.

Квазар — это чрезвычайно активное ядро далёкой галактики. Эта активность — результат того, что сверхмассивная чёрная дыра жадно поглощает материю, причём так много материи, что она не может переработать её всю — вместо этого множество материала выплёскивается в магнитно-коллимированной струе, а не падает за горизонт событий чёрной дыры, как остальная материя. Когда мы видим такую струю заряженных частиц (которая движется почти со скоростью света), квазар выглядит особенно ярким. Мы называем это блазаром.

Галактика OJ 287, расположенная на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от нас, является одним из ближайших к нам примеров блазара. Она достаточно яркая, чтобы её можно было увидеть в большие любительские телескопы, а наблюдения OJ 287 датируются концом 1800-х годов. Наблюдения, подобные этим, показывают, что каждые 12 лет OJ 287, похоже, становится ярче. В 2014 году аспирант Паули Пихайоки из Университета Турку в Финляндии предположил, что это усиление яркости вызвано наличием второй, менее массивной чёрной дыры, вращающейся по орбите и взаимодействующей с первичной чёрной дырой. Если это так, то орбита второй чёрной дыры вокруг первичной будет вытянутой, что означает, что она будет приближаться к первичной только каждые 12 лет.

Помимо общего усиления яркости системы, Пихайоки предположил, что в результате этого взаимодействия меньшая чёрная дыра также должна забрать часть материи из большого аккреционного диска вокруг первичной чёрной дыры и на короткое время породить собственную квазарную струю меньшего размера. Пихайоки также примерно предсказал, когда это произойдёт. Итак, в ноябре 2021 года спутник НАСА Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) был временно отстранён от работы по поиску экзопланет, чтобы внимательно изучить OJ 287. К TESS присоединились гамма-телескопы НАСА Swift и Fermi, а также множество наземных обсерваторий, но важнейшие наблюдения были сделаны именно TESS.

12 ноября 2021 года TESS зафиксировал, что OJ 287 стала ярче примерно на две величины в течение 12 часов, и за это время она выделила столько энергии, сколько за то же время выделили бы 100 средних галактик. Эта вспышка была приписана струе из второй чёрной дыры; наблюдения других телескопов также подтвердили этот результат, в частности, «Ферми» зафиксировал значительную вспышку гамма-излучения.

«Теперь мы можем сказать, что впервые "увидели" орбитальную чёрную дыру, точно так же, как мы можем сказать, что TESS увидел планеты, вращающиеся вокруг других звёзд», — сказал в своём заявлении Маури Валтонен из Университета Турку, который руководил наблюдениями.

Варп-двигатели могут быть источниками гравитационных волн

Варп-двигатели уходят корнями в одну из самых популярных научно-фантастических франшиз, но у них есть и научная основа. Новая статья рассматривает научные основы и задаётся вопросом, может ли сбой в системе варп-двигателя привести к появлению гравитационных волн, которые можно обнаружить.

Работа называется «То, что никто не видел раньше: гравитационные волны от разрушения варп-двигателя» и размещена на сервере препринтов arXiv. Авторы работы — Кэти Клаф, Тим Дитрих и Себастьян Хан, физики из университетов Великобритании и Германии.

В общей теории относительности есть место для варп-двигателей, и мексиканский физик Мигель Алькубьерре в 1994 году описал, как они теоретически могут работать. Он хорошо известен в космических и физических кругах благодаря своему приводу Алькубьерре.

Всем известно, что ни один объект не может двигаться быстрее скорости света. Но варп-двигатели могут предложить обходной путь. Искажая само пространство-время, космический корабль с приводом искривления не будет нарушать правило скорости света (FTL).

«Несмотря на то, что варп-двигатели появились в научной фантастике, они имеют конкретное описание в общей теории относительности: Алькубьер впервые предложил метрику пространства-времени, поддерживающую путешествия быстрее света», — пишут авторы.

Существуют очевидные научные препятствия для создания варп-двигателя. Но можно смоделировать, как он будет работать и как его можно будет обнаружить по гравитационным волнам в случае его поломки.

«Основная идея варп-двигателя заключается в том, что вместо того, чтобы превышать скорость света непосредственно в локальной системе отсчёта, что нарушило бы инвариантность Лоренца, "варп-пузырь" может преодолевать расстояния быстрее скорости света (измеряемой удалённым наблюдателем) за счёт сжатия пространства-времени перед ним и расширения пространства-времени за ним», — говорится в статье.

Варп-двигатель не испускает сигналов, работая постоянно и стабильно. Но как только он разрушится, начнёт ускоряться или замедляться, его можно будет обнаружить. «Физически это может быть связано с разрушением сдерживающего поля, которое цивилизация постварпа (предположительно) использует для поддержки варп-пузыря против коллапса», — пишут они.

В их формулировках природа самого корабля не важна. Важен только варп-пузырь и варп-жидкость внутри него.

Исследователи смоделировали разрушение варп-пузыря. Они обнаружили, что при коллапсе генерируются гравитационные волны с характеристиками, отличными от тех, что возникают при слияниях небесных тел. «Сигнал приходит в виде всплеска, изначально не имеющего гравитационно-волнового содержания, за которым следует колебательный период с характерной частотой порядка 1/[R]», — пишут они.

«В целом, сигнал очень отличается от типичных компактных коалесценций бинаров, наблюдаемых детекторами гравитационных волн, и больше похож на такие события, как коллапс нестабильной нейтронной звезды или лобовое столкновение двух чёрных дыр».

Астрономы обнаружили, что чёрные дыры, образовавшиеся при слиянии, несут информацию о своих предках

Астрономы считают, что в центре большинства, если не всех, галактик находятся чёрные дыры с массой, в миллионы или даже миллиарды раз превышающей массу нашего Солнца. Они явно появились не в результате коллапса массивной звезды. Это означает, что должны существовать процессы, которые позволяют чёрным дырам вырастать до таких огромных масс. В то время как потребление газа, пыли и даже звёзд вокруг чёрных дыр может способствовать этому росту, более быстрым путём к накоплению массы является цепочка слияний всё более и более крупных чёрных дыр.

В статье, опубликованной в журнале Astroparticle Physics, Имре Бартос и Оскар Баррера с физического факультета Университета Флориды подробно рассказывают о том, как некоторые «дочерние» чёрные дыры, образующиеся при таких слияниях, могут нести информацию о «родительских» чёрных дырах, которые столкнулись, и породили их.

«Мы обнаружили, что чёрные дыры, рождающиеся в результате столкновения других чёрных дыр, несут в себе информацию о свойствах своих предков, включая спин предков, а также их массу, — говорит Бартос. — Ключевым направлением нашего исследования является реконструкция спинов предков чёрных дыр, в развитие предыдущих работ, которые были сосредоточены на массах предков».

У чёрных дыр очень мало характеристик, по которым их можно отличить друг от друга: они обладают лишь вариациями массы, углового момента, или «спина», и электрического заряда. Физик-теоретик Джон Уилер из Принстонского университета (США) описал это так: «У чёрных дыр нет волос». Бартос добавляет, что даже с учётом этих немногих характеристик и «теоремы об отсутствии волос», всё равно можно использовать спин чёрной дыры, чтобы разгадать детали её происхождения.

Например, чёрные дыры, питающиеся окружающим газом, или предыдущие столкновения «родительских» чёрных дыр могут иметь высокий спин, «в то время как при рождении, в результате смерти и коллапса звёзд, чёрные дыры часто имеют низкий спин», — продолжает Бартос.

Для проведения исследования Бартос и Баррера использовали математическую технику, называемую байесовским выводом, принимая измеренные свойства чёрных дыр и их предварительное ожидание в качестве входных данных и выводя предполагаемые распределения свойств предков чёрных дыр. Исследование является своевременным, поскольку физики используют крошечные пульсации в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами, чтобы узнать больше о столкновениях и слияниях чёрных дыр.

Другая теория гравитации Эйнштейна может содержать рецепт избавления от «хаббловской напряжённости»

В недавнем исследовании учёные рассмотрели теорию телепараллелизма и её потенциал для разрешения противоречий, связанных с расширением Вселенной, таким образом, как это не может сделать общая относительность.

В начале XX века наше понимание Вселенной было перевёрнуто с ног на голову, когда наблюдения Эдвина Хаббла показали, что сама ткань космоса растягивается. В конце того же века это осознание стало ещё более сложным, когда, наблюдая за удалёнными сверхновыми по мере их удаления от Земли, две отдельные группы учёных обнаружили, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряет темпы своего расширения.

Причина этого ускорения остаётся загадкой и получила условное название «тёмная энергия»; наилучшим текущим объяснением является космологическая постоянная, которая учитывает форму фоновой энергии, называемую энергией вакуума.

Скорость расширения Вселенной известна как постоянная Хаббла, которая описывает пропорциональность между расстоянием галактики от Земли и скоростью, с которой она удаляется.

Это стало головной болью для физиков, поскольку два основных способа определения постоянной Хаббла сильно расходятся в результатах. Эта проблема получила название «хаббловской напряжённости», и одним из способов её объяснения является расширение нашей нынешней лучшей модели гравитации — общей теории относительности, предложенной Эйнштейном в 1915 году.

В опубликованной в журнале Physics of the Dark Universe работе Селии Эскамиллы Ривера, космолога из Института ядерных наук Национального автономного университета Мексики, и её соисследователей предпринята попытка решить проблему тёмной энергии и снять напряжение Хаббла.

«Мы обнаружили, что с помощью гравитационных моделей, выходящих за рамки общей теории относительности, и новых космологических данных [наблюдений за далёкими квазарами] мы можем справиться с напряжённостью Хаббла и проблемой тёмной энергии на локальных масштабах», — говорит Ривера.

«Используя численные и вычислительные методы, мы провели анализ различных предложенных моделей "телепараллельной гравитации", протестировав их на двух различных космологических выборках, измеряющих расстояния в локальной Вселенной».

Телепараллельная гравитация — это альтернативная теория общей относительности, также разработанная Эйнштейном. Эта «другая теория гравитации» использует другой рецепт уравнений, чтобы объяснить гравитацию без искривления пространства-времени, а также стремится объединить её с одной из других фундаментальных сил Вселенной — электромагнетизмом.

«В последнее время телепараллельная гравитация набирает популярность из-за обещания, что она может решить космологическую проблему, связанную с хаббловским растяжением, и объяснить природу космического ускорения в поздние времена, не прибегая к космологической постоянной», — говорит Ривера.

Ривера и её коллеги проверили параметры этой альтернативной теории гравитации с помощью двух новых наборов данных о далёких квазарах с сильным красным смещением — ярких областях в центре галактик, питаемых сверхмассивными чёрными дырами, наблюдаемых в ультрафиолетовом, рентгеновском и видимом свете.

Астрономы устанавливают возраст и происхождения Большого красного пятна на Юпитере

Научные сотрудники Университета Страны Басков (UPV/EHU), Политехнического университета Каталонии-Барселоны (UPC) и Барселонского суперкомпьютерного центра (CNS-BSC) проанализировали исторические наблюдения с XVII века и разработали численные модели для объяснения продолжительности существования и природы Большого красного пятна Юпитера.

Результаты своих наблюдений и численных моделей они опубликовали в журнале Geophysical Research Letters.

Большое красное пятно (БКП) Юпитера — популярная икона среди объектов Солнечной системы, вероятно, самая известная атмосферная структура. Его большие размеры (сейчас его диаметр равен диаметру Земли) и контраст красноватого цвета на фоне бледных облаков планеты делают его объектом, который легко увидеть даже в небольшие телескопы.

Большое красное пятно Юпитера представляет собой огромный антициклонический вихрь, по периферии которого со скоростью 450 км/ч движутся ветры. Это самый большой и самый долгоживущий вихрь из всех, существующих в атмосферах планет Солнечной системы, но его возраст вызывает споры, а механизм, приведший к его образованию, остаётся неясным.

Предположения о происхождении БКП восходят к первым телескопическим наблюдениям, сделанным астрономом Джованни Доменико Кассини, который в 1665 году обнаружил тёмный овал на той же широте, что и БКП, и назвал его «Постоянным пятном» (PS), поскольку оно наблюдалось им и другими астрономами до 1713 года.

Впоследствии астрономы потеряли его из виду на 118 лет, и только в 1831 году и позднее С. Швабе вновь наблюдал чёткую структуру, примерно овальной формы и на той же широте, что и ГРС; это можно считать первым наблюдением нынешней ГРС, возможно, зарождающейся ГРС.

С тех пор БКП регулярно наблюдалась с помощью телескопов и различных космических миссий, посещавших планету вплоть до сегодняшнего дня.

В своём исследовании авторы сначала проанализировали эволюцию его размеров с течением времени, его структуру и движения обоих метеорологических образований, бывшего ПС и ГРС; для этого они использовали исторические источники, восходящие к середине XVII века, вскоре после изобретения телескопа.

«На основании измерений размеров и движений мы пришли к выводу, что крайне маловероятно, что нынешняя БКП была PS, которую наблюдал Дж. Д. Кассини. Вероятно, ПС исчезла где-то между серединой XVIII и XIX веками, и в этом случае можно сказать, что продолжительность существования красного пятна сейчас превышает 190 лет, как минимум», — пояснил Агустин Санчес-Лавега, профессор физики в UPV/EHU и руководитель исследования.

Красное пятно, размер которого в 1879 году составлял 39 000 км по самой длинной оси, уменьшилось примерно до нынешних 14 000 км и одновременно стало более округлым.

Более того, начиная с 1970-х годов, несколько космических миссий пристально изучали это метеорологическое явление.