Квазар

Чёрная дыра, которая ест так быстро, что затмевает всю свою галактику

Шаг за шагом

Звезда, которая не была звездой

В 1963 году Маартен Шмидт понял, что тусклая светящаяся точка 3C 273 — не звезда: её свет растянуло расширение Вселенной за путь длиной около 2 миллиардов лет.

3C 273 сначала знали как источник радиоволн, 273-й в третьем Кембриджском каталоге. В 1962 году его заслонила Луна, и по моменту, когда пропали его радиоволны, удалось точно найти, где он. Там оказалась обычная на вид звезда 13-й величины со слабой полоской рядом.

Её спектр оставался загадкой, пока Шмидт не увидел в нём знакомый узор водорода, сдвинутый почти на 16% в красную сторону. Такое могло сделать только расширение Вселенной, а значит, свет шёл к нам около 2 миллиардов лет. Что-то настолько яркое с такого расстояния должно было быть невероятно мощным. Такие объекты назвали квазизвёздными радиоисточниками — квазарами.

Ярче сотни Млечных Путей

3C 273 светит как 4 триллиона Солнц — примерно в сто раз ярче всего Млечного Пути — и мерцает за считаные дни: весь этот свет идёт из области размером всего в несколько световых дней.

Вокруг 3C 273 — гигантская эллиптическая галактика, но на обычных снимках она теряется в сиянии своего центра. Лишь с коронографом, который закрывает центральный свет, как Луна закрывает Солнце при затмении, Hubble смог ясно разглядеть её в 2024 году.

Окажись 3C 273 в 30 световых годах от нас, он светил бы на нашем небе так же ярко, как Солнце. При этом его свет меняется за несколько дней, а ничто не может разгореться целиком быстрее, чем свет пересекает его: источник размером всего в несколько световых дней — примерно как наша Солнечная система.

Галактика нарисована по простой модели гигантской эллиптической; насколько её центр ярче — по измерениям.

Чёрная дыра за едой

В центре — чёрная дыра массой около 260 миллионов Солнц. Газ, падающий по спирали, сжимается и нагревается в диске, пока не засветится ярче всех звёзд галактики вместе взятых.

Почти у каждой большой галактики в сердце есть сверхмассивная чёрная дыра, и большинство из них спокойны. Квазар — это та, которую кормят: газ её галактики, часто взбудораженный столкновением с другой галактикой, падает к ней быстрее, чем она успевает его поглотить.

Газ не может упасть прямо. Как вода в сливе, он закручивается в плоский диск, трётся сам о себя, теряет энергию и медленно по спирали уходит внутрь, разогреваясь. Тень чёрной дыры и свет, изогнутый вокруг неё, нарисованы по общей теории относительности; прожилки на диске нарисованы.

Самый яростный свет

У самой чёрной дыры диск светит в основном в ультрафиолете. Падение в неё превращает в свет около десятой части массы газа — в четырнадцать раз больше, чем термоядерный синтез в звёздах.

Вещество, падающее к чёрной дыре, разгоняется и нагревается. К тому времени, как газ в диске доходит до последней устойчивой орбиты, в несколько раз больше горизонта, около десятой части его массы уже стало теплом и светом, а у быстро вращающейся дыры — ещё больше.

Солнце, превращая водород в гелий, обращает в энергию лишь 0,7% сжигаемой массы. Поэтому кормящиеся чёрные дыры — самые мощные постоянные источники света во Вселенной. Сторона диска, поворачивающаяся к нам, кажется ярче и голубее: газ, движущийся с заметной долей скорости света, бросает свой свет вперёд.

Ультрафиолет невидим; диск нарисован в цветах его жара.

Облака на быстрых орбитах

Дальше облака газа кружат со скоростью около 3000 км/с примерно в 145 световых днях от центра. В 2018 году прибор GRAVITY увидел их вращение — и так взвесили чёрную дыру.

В свете квазаров видны широкие линии: цвета каждого элемента размыты, потому что газ, излучающий их, несётся со скоростью тысячи километров в секунду — часть к нам, часть от нас. Эти облака освещает диск внутри них.

В 2018 году GRAVITY, объединяющий четыре 8-метровых телескопа Очень Большого Телескопа ESO в один, измерил, откуда приходит свет облаков по всему 3C 273, и увидел их вращение: с одной стороны они приближаются, с другой — удаляются. Скорость их обращения на таком расстоянии даёт массу чёрной дыры — около 260 миллионов Солнц (GRAVITY Collaboration 2018).

Цвета облаков нарисованы: синие приближаются, красные удаляются. Их вращение ускорено; на самом деле один оборот занимает века.

Джет через всю галактику

Часть газа так и не падает. Выброшенный вдоль оси почти со скоростью света, он образует джет длиной 200 000 световых лет — вдвое больше поперечника Млечного Пути.

У чёрной дыры магнитные поля, закрученные вращающимися диском и дырой, выбрасывают немного газа вдоль оси почти со скоростью света. Примерно у одного квазара из десяти джеты настолько мощные, что ярко светятся в радиоволнах.

Джет 3C 273 виден даже на обычных снимках Hubble — полоса длиной около 200 000 световых лет. Узлы в нём будто мчатся наружу быстрее света: это иллюзия — они летят почти прямо на нас почти со скоростью света, и их свет приходит скученно. Его близнец, направленный от нас, слишком тусклый, чтобы его увидеть.

Джет нарисован бледно-голубым, каким он выглядит на снимках Hubble.

Самый яркий из всех

Самый яркий из известных квазаров, J0529-4351, светит как 500 триллионов Солнц. Его чёрная дыра массой 17 миллиардов Солнц каждый день поглощает больше Солнца газа.

J0529-4351 так ярок, что десятилетиями обзоры неба числили его звездой. В 2024 году группа под руководством Кристиана Вольфа показала с помощью Очень Большого Телескопа ESO, что это квазар, свет которого вышел в путь больше 12 миллиардов лет назад.

Его чёрная дыра — около 17 миллиардов масс Солнца, и она всё ещё растёт. Питающий её диск — около 7 световых лет в поперечнике, самый большой из известных, и светит он как больше 500 триллионов Солнц (Wolf и др. 2024).

Диск нарисован в измеренном размере. Тень чёрной дыры в его центре в таком масштабе слишком мала, чтобы её увидеть.

Эпоха квазаров

Больше всего квазаров было около 10 миллиардов лет назад, когда галактики были молоды и полны газа. Большинство с тех пор остались без еды, и яркие квазары сегодня редки.

Поскольку свету нужно время, чтобы дойти до нас, самые далёкие квазары и самые древние. Подсчёт их на каждом расстоянии показывает, что 10–11 миллиардов лет назад ярких квазаров было примерно в сто раз больше, чем сейчас.

Тогда галактики были богаты газом и часто сталкивались, и это сгоняло газ к их центрам. Когда газ ушёл на звёзды или был выдут прочь, большинство чёрных дыр затихли. Многие нынешние гигантские галактики хранят спящие чёрные дыры бывших квазаров.

График даёт примерную форму, найденную обзорами. Угасание квазара здесь нарисовано.

Наша собственная чёрная дыра

Чёрная дыра Млечного Пути, Стрелец A*, весит 4,3 миллиона Солнц и почти не ест. Но два гигантских пузыря гамма-лучей над и под галактикой говорят о том, что несколько миллионов лет назад она вспыхнула.

Стрелец A* примерно в шестьдесят раз легче чёрной дыры 3C 273 и почти голодает: светит лишь как несколько сотен Солнц, в основном радиоволнами и рентгеном.

В 2010 году космический телескоп Fermi нашёл две огромные лопасти гамма-лучей, каждая из которых тянется примерно на 25 000 световых лет над и под центром галактики. Их размер и форма говорят о выбросе из центра несколько миллионов лет назад — возможно, когда Стрелец A* в последний раз плотно поел.

Пузыри невидимы глазу; здесь они нарисованы фиолетовым. Млечный Путь нарисован по простой модели.

Маяки, которые не движутся

Квазары так далеко, что никогда не кажутся движущимися. Астрономы используют тысячи из них как неподвижные точки, относительно которых измеряется любое положение на небе.

Звёзды с годами смещаются по небу, двигаясь по галактике. Квазары, до которых миллиарды световых лет, остаются на месте, поэтому они — лучшие ориентиры из возможных.

Международная небесная система отсчёта, по которой ведут космические аппараты и следят за вращением Земли, построена на положениях 4536 далёких радиоисточников, в основном квазаров, измеренных радиотелескопами всего мира (ICRF3, 2018). Аппарат Gaia привязывает свою карту почти двух миллиардов звёзд примерно к 1,6 миллиона квазаров.

Кольца отмечают квазары, как на карте; точки в них нарисованы.

Объекты в этой истории

TON 618