JWST: чёрная дыра в центре Млечного Пути бурлит светом

Автор: CC0 Public Domain

Используя космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) НАСА, группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета получила самое продолжительное и подробное на сегодняшний день изображение пустоты, скрывающейся в центре нашей галактики.

Есть также еще более слабые мерцания, которые вспыхивают в течение месяцев за раз. Уровень активности происходит в широком диапазоне времени — от коротких интерлюдий до длинных отрезков.

Новые результаты могут помочь физикам лучше понять фундаментальную природу черных дыр, то, как они взаимодействуют с окружающей средой, а также динамику и эволюцию нашей собственной галактики.

Исследование «Непрерывная изменчивость Sgr A* с использованием JWST на длинах волн 2,1 и 4,8 микрон: доказательства существования отдельных популяций слабого и яркого переменного излучения» опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

«Ожидается, что вспышки происходят практически во всех сверхмассивных черных дырах, но наша черная дыра уникальна», — сказал Фархад Юсеф-Заде из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование.

«Она всегда бурлит активностью и, похоже, никогда не достигает устойчивого состояния. Мы наблюдали черную дыру несколько раз в течение 2023 и 2024 годов и замечали изменения в каждом наблюдении. Каждый раз мы видели что-то другое, что действительно примечательно. Ничто никогда не оставалось прежним».

Эксперт по центру Млечного Пути, Юсеф-Заде является профессором физики и астрономии в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга. В международную группу соавторов входят Говард Бушхаус из Института науки космического телескопа, Ричард Г. Арендт из НАСА, Марк Уордл из Университета Маккуори в Австралии, Джозеф Майкл из Гарварда и Смитсоновского института и Клэр Чандлер из Национальной радиоастрономической обсерватории.

Случайный фейерверк

Для проведения исследования Юсеф-Заде и его команда использовали камеру ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRCam), которая может одновременно наблюдать два инфракрасных цвета в течение длительных промежутков времени. С помощью инструмента визуализации исследователи наблюдали Стрелец A* в общей сложности 48 часов — с интервалом в 8–10 часов в течение одного года. Это позволило ученым отслеживать, как черная дыра менялась с течением времени.

Хотя Юсеф-Заде ожидал увидеть вспышки, Стрелец А* оказался более активным, чем он предполагал. Проще говоря: наблюдения выявили постоянные фейерверки различной яркости и продолжительности. Аккреционный диск, окружающий черную дыру, генерировал от пяти до шести крупных вспышек в день и несколько небольших субвспышек между ними.

«В наших данных мы увидели постоянно меняющуюся, пузырящуюся яркость», — сказал Юсеф-Заде. «И затем бум! Внезапно возник большой всплеск яркости. Затем он снова успокоился. Мы не смогли найти закономерности в этой активности. Похоже, она случайна. Профиль активности черной дыры был новым и захватывающим каждый раз, когда мы на нее смотрели».

Два отдельных процесса в игре

Хотя астрофизики пока не до конца понимают процессы, происходящие в этом процессе, Юсеф-Заде подозревает, что за короткие всплески и более продолжительные вспышки отвечают два отдельных процесса. Если аккреционный диск — это река, то короткие, слабые мерцания похожи на небольшую рябь, которая хаотично колеблется на поверхности реки. Однако более продолжительные, яркие вспышки больше похожи на приливные волны, вызванные более значительными событиями.

Юсеф-Заде утверждает, что незначительные возмущения в аккреционном диске, вероятно, генерируют слабые мерцания. В частности, турбулентные флуктуации в диске могут сжимать плазму (горячий, электрически заряженный газ), вызывая временный всплеск излучения. Юсеф-Заде сравнивает это событие с солнечной вспышкой.

«Это похоже на то, как магнитное поле Солнца собирается, сжимается, а затем извергается в виде солнечной вспышки», — пояснил он. «Конечно, процессы более драматичны, поскольку среда вокруг черной дыры гораздо более энергична и гораздо более экстремальна. Но поверхность Солнца также бурлит активностью».

Юсеф-Заде приписывает большие, яркие вспышки событиям магнитного пересоединения — процессу, в котором сталкиваются два магнитных поля, высвобождая энергию в виде ускоренных частиц. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, эти частицы испускают яркие всплески излучения.

«Событие магнитного пересоединения похоже на искру статического электричества, которая, в некотором смысле, также является «электрическим пересоединением», — сказал Юсеф-Заде.

Двойное зрение

Поскольку NIRCam JWST может наблюдать две отдельные длины волн (2,1 и 4,8 микрон) одновременно, Юсеф-Заде и его коллеги смогли сравнить, как яркость вспышек менялась с каждой длиной волны. Юсеф-Заде сказал, что захват света на двух длинах волн похож на «видение в цвете вместо черно-белого».

Наблюдая за Стрельцом А* на нескольких длинах волн, он получил более полную и детализированную картину его поведения.

И снова исследователи были встречены с сюрпризом. Неожиданно они обнаружили, что события, наблюдаемые на более короткой длине волны, немного изменили яркость перед событиями с большей длиной волны.

«Это первый раз, когда мы увидели задержку во времени измерений на этих длинах волн», — сказал Юсеф-Заде. «Мы наблюдали эти длины волн одновременно с NIRCam и заметили, что более длинная длина волны отстает от более короткой на очень небольшую величину — может быть, от нескольких секунд до 40 секунд».

Эта задержка времени дала больше подсказок о физических процессах, происходящих вокруг черной дыры. Одно из объяснений заключается в том, что частицы теряют энергию в ходе вспышки — теряя энергию быстрее на более коротких длинах волн, чем на более длинных. Такие изменения ожидаются для частиц, вращающихся по спирали вокруг линий магнитного поля.

Стремление к непрерывному виду

Для дальнейшего изучения этих вопросов Юсеф-Заде надеется использовать JWST для наблюдения за Стрельцом A* в течение более длительного периода времени. Недавно он подал предложение о непрерывном наблюдении за черной дырой в течение 24 часов. Более длительный цикл наблюдений поможет снизить уровень шума, что позволит исследователям увидеть еще более мелкие детали.

«Когда вы смотрите на такие слабые вспышки, вам приходится бороться с шумом», — сказал Юсеф-Заде. «Если мы можем наблюдать в течение 24 часов, то мы можем уменьшить шум, чтобы увидеть особенности, которые мы не могли видеть раньше. Это было бы потрясающе. Мы также можем увидеть, показывают ли эти вспышки периодичность (или повторяются) или они действительно случайны».

Больше информации: F. Yusef-Zadeh et al, Non-stop variability of Sgr A* using JWST at 2.1 and 4.8 micron wavelengths: Evidence for distinct populations of faint and bright variable emission, The Astrophysical Journal Letters (2025). On arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.04096

Источник: Northwestern University