Черная дыра-гурман: что происходит в центре Андромеды?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вселенная — это грандиозный театр, где галактики играют роли ярких актеров, разыгрывая драмы рождения и смерти звезд. В центре каждой галактики, подобно скрытому режиссеру, притаилась сверхмассивная черная дыра, чья гравитация диктует ход событий. Но как эти космические монстры получают свою «пищу»?


Изображение галактики Андромеды, полученное прибором «Спитцер» в инфракрасном диапазоне, 24 микрометра
Автор: By NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (University of Arizona) — http://www.spitzer.caltech.edu/images/1493-ssc2005-20a1-Andromeda-in-the-Infrared, Public Domain Источник: commons.wikimedia.org

Ученые из проекта PARSEC, заглянув в сердце ближайшей к нам галактики — Андромеды, обнаружили захватывающий спектакль. Здесь, в самом центре, разворачивается драма, главными героями которой выступают не звезды, а пыль и газ. Они, словно нити космической паутины, сплетаются в замысловатый узор, образуя спиральные рукава, впадающие в центральный диск вокруг черной дыры.

Верхний ряд: Спитцеровские изображения M31. Слева направо: 3,6 мкм, 4,5 мкм, 5,8 мкм и 8 мкм. Разрешение (FWHM) составляет 1farcs68, 1farcs72, 1farcs9 и 2farcs1, соответственно. Пылевые нити начинают появляться на изображении 8 мкм. Нижний ряд: правая панель — изображение 8 мкм минус изображение 4,5 мкм — последнее взято как представитель звездного света; вся сеть филаментов видна в эмиссии. Средняя правая панель — изображение HST-WFPC2-F656N после вычитания континуума (раздел 1.1): сеть филаментов видна в эмиссии ионизированного газа Hα + [N ii]. Левая панель — ультрафиолетовое изображение HST-ACS-F435W, а средняя левая панель — это изображение после вычитания звездного света с помощью профиля Серсика (раздел 1.1); пылевые филаменты теперь видны в поглощении как темные структуры. Поле зрения (FoV) всех изображений составляет 2' x 2фарсм5; крестик — положение BH. Север — вверху, восток — слева.
Автор: C. Alig et al 2023 ApJ 953 109 DOI 10.3847/1538-4357/ace2c3 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Эта картина, запечатленная телескопами «Спитцер» и «Хаббл», стала отправной точкой для создания уникальной гидродинамической модели. Ученые, словно художники, воссоздали движение потоков газа, используя сложные алгоритмы и мощные компьютеры. Результат превзошел все ожидания: виртуальная модель Андромеды поразительно точно воспроизвела наблюдаемую картину.

Левая панель: Изображение Спитцера 24 мкм центральной части 25' в длинном направлении и 15' в перпендикулярном направлении. Правая верхняя панель: карта пыли, созданная путем вычитания изображения Спитцера 4,5 мкм, на котором преобладает звездный свет, из изображения Спитцера 8 мкм — звездного света и пыли в эмиссии. Пунктирные линии на этой панели очерчивают околоядерное пылевое кольцо (см. раздел 1). Область обзора составляет около 8фарсм5 x 8'. Справа внизу: изображение линии Hα + [N ii] из Ciardullo et al. (1988). Белая рамка размером 6 x 6 аркмин2 — примерно FoV изображения Ciardullo et al. (1988), полученная в результате кросс-сопоставления с точечными и пылевыми структурами, видимыми на всех изображениях. Стрелка указывает на филамент, используемый в качестве опорного при моделировании. BH из M31 отмечена крестиком. На всех изображениях север находится вверху, а восток — слева.
Автор: C. Alig et al 2023 ApJ 953 109 DOI 10.3847/1538-4357/ace2c3 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Так что же происходит в центре Андромеды? Газ, словно река, стекает с кольцевого водохранилища, расположенного на расстоянии около килопарсека от центра. Эта река разбивается на множество ручейков — пылегазовых нитей, которые, извиваясь, образуют спиральный узор. Взаимодействие этих потоков друг с другом и с окружающим газом приводит к нагреву и образованию «атмосферы» из раскаленного газа. Именно эта атмосфера играет ключевую роль в формировании спирали, направляя потоки к центру.

Снимки поверхностной плотности моделирования в единицах M☉ pc-2 в хронологическом порядке. Первые несколько витков потока, на панелях (a) и (b), не показывают значительных отклонений от орбиты чистого N-тела. Однако в (b) материал из самой верхней дуги сталкивается со свежеинжектированной частью потока, нагревая газ до нескольких 106 К. Это приводит к образованию горячей атмосферы, которая видна как диффузный фон от (b) до (f). По мере того как поток продолжает пересекать сам себя и испытывать трение в атмосфере, он медленно циркулирует, как показано в последовательности от (d) до (f). Трение у внутреннего края вытянутой кольцевой структуры, которая формируется в (e), заставляет тонкие нити закручиваться по спирали внутрь, в итоге образуя небольшой диск во внутренних 100 пк, видимый в (f).
Автор: C. Alig et al 2023 ApJ 953 109 DOI 10.3847/1538-4357/ace2c3 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Но черная дыра Андромеды не является ненасытным пожирателем. Она, скорее, напоминает гурмана, смакующего деликатесы. За миллионы лет своего существования она «съела» всего около 33 масс Солнца, что соответствует мизерной скорости поглощения — всего 10^-7 масс Солнца в год.

Сравнение скоростей в прямой видимости (в км с-1) между наблюдаемыми скоростями СО (черные контуры, выделены цветом) и газа ниже 104 K из нашего моделирования. Плоскость результирующего диска прецессирует. Мы находим разумное соответствие (нижняя средняя панель) наблюдаемому полю скоростей и морфологии филамента на интервале около 160 млн лет эволюции с момента первоначальной инжекции стримера в потенциал.
Автор: C. Alig et al 2023 ApJ 953 109 DOI 10.3847/1538-4357/ace2c3 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Подобные «спиральные столовые» обнаруживаются и в других галактиках с малоактивными черными дырами. Это позволяет предположить, что именно такой механизм — образование спиральных структур из пыли и газа — является основным способом питания черных дыр в этих галактиках.


Итак, изучение Андромеды открыло перед учеными захватывающий мир космических процессов. Виртуальная модель позволила не только объяснить наблюдаемую картину, но и предположить, как устроены другие галактики. Впереди — новые открытия и удивительные путешествия в глубины космоса.

Почему черная дыра Андромеды так мало поглощает, если вокруг нее так много «еды»?

Несмотря на кажущееся изобилие газа и пыли, большая их часть не попадает в черную дыру напрямую. Виной тому — сложная структура спиральных потоков и взаимодействие с окружающим газом. В результате черная дыра получает лишь небольшую часть доступного материала.

Могут ли эти спиральные структуры привести к «пробуждению» черной дыры и превращению ее в активное ядро галактики?

Теоретически, да. Если по какой-то причине в центр галактики поступит значительно больше газа, черная дыра может начать активно поглощать его, что приведет к высвобождению огромного количества энергии и превращению ядра галактики в квазар.

Почему модель, включающая вращение потенциала галактики, считается наиболее физически обоснованной?

Время, необходимое для формирования спиральных структур, сравнимо с периодом вращения галактики. Это означает, что вращение галактики не может не влиять на движение газа и пыли в ее центре. Поэтому модель, учитывающая это вращение, более точно отражает реальную картину.

Что будет с Андромедой и нашей Галактикой в будущем?

Согласно современным моделям, через несколько миллиардов лет Андромеда и Млечный Путь столкнутся и сольются в одну гигантскую галактику. Это событие, возможно, приведет к изменению структуры центральных областей обеих галактик и может повлиять на активность сверхмассивных черных дыр.

Изображение в превью:
Автор: By NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (University of Arizona) - http://www.spitzer.caltech.edu/images/1493-ssc2005-20a1-Andromeda-in-the-Infrared, Public Domain
Источник: commons.wikimedia.org