Самые яркие объекты во Вселенной

Квазары — ярчайшие объекты из всех, что доводилось наблюдать человечеству. Яркость одного такого объекта может превосходить яркость Солнца в триллион раз — он светит ярче целой галактики с миллиардами звезд. Эти космические маяки, находящиеся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяют астрономам заглянуть в очень далекое прошлое Вселенной.

Но что представляют собой квазары и какие силы обеспечивают им столь невероятную яркость? Давайте разбираться.

Что такое квазар?

Слово "квазар" — сокращение от "квазизвездный радиоисточник". Первый объект такого рода, выглядевший как точечный источник света, похожий на яркую звезду, был обнаружен в 1960 году астрономами Алланом Сэндиджем и Томасом Мэтьюзом. Однако от типичного светила его отличало огромное количество энергии, излучаемой в радиодиапазоне. Несмотря на это, находка, получившая обозначение 3C 48, долгое время рассматривалась как "нетипичная звезда".

Сегодня мы знаем, что 3C 48 и подобные ему объекты — это квазары, представляющие собой активные ядра галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры массой от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Такая черная дыра с лютой жадностью пожирает огромное количество материи, которая ее окружает — газ, пыль, целые звезды — и в ходе этого процесса генерирует колоссальное количество энергии.

Не секрет, что сама черная дыра не способна быть источником света — все, что падает за горизонт событий, не способно вырваться наружу. Но материя, устремляющаяся к черной дыре, разогревается до миллионов градусов, образуя вокруг нее светящийся аккреционный диск. Именно этот диск и джеты (струи вещества, выбрасываемые вдоль оси вращения черной дыры со скоростью, близкой к скорости света) обеспечивают запредельную яркость квазара.

Масштаб яркости

Для сравнения, светимость Солнца около 3,8 × 10^26 ватт. По земным меркам это, конечно, впечатляющий показатель, но в масштабах космоса — капля в море.

Типичный квазар излучает энергию на уровне 10^40–10^41 ватт и светит ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь, в которой может быть более 400 миллиардов звезд.

Просто представьте: объект размером с Солнечную систему (аккреционный диск квазара имеет диаметр в несколько световых дней или недель) светит ярче, чем галактика диаметром в 100 000 световых лет с сотнями миллиардов звезд.

Как работает квазар

Сверхмассивная черная дыра, по сути являющаяся сердцем квазара, поглощает материю с невероятной скоростью — в среднем несколько солнечных масс в год. Падающее вещество закручивается в аккреционный диск, где частицы сталкиваются, трутся друг о друга, разгоняются до релятивистских (околосветовых) скоростей.

Трение и сжатие разогревают диск до 10-100 миллионов градусов, из-за чего материя начинает излучать в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах, то есть в одних из самых энергетичных форм света.

Примечательно, что не вся материя попадает в черную дыру — часть выбрасывается вдоль ее магнитных полюсов в виде релятивистских джетов — узких струй плазмы, способных двигаться со скоростью 99,999<...>% скорости света. При этом протяженность джетов может составлять миллионы световых лет, что позволяет наблюдать их далеко за пределами родительской галактики.

Если джет направлен в сторону наблюдателя, квазар кажется еще ярче из-за релятивистского усиления — эффекта, при котором излучение от объекта, движущегося почти со скоростью света, фокусируется в узкий конус.

Рекордсмен среди квазаров

Самый яркий из известных квазаров — QSO J0529−4351, идентифицированный* в 2024 году. Его светимость превышает светимость Солнца в 500 триллионов раз!

*На самом деле объект оказался в данных наблюдений еще в 1980 году. Однако его десятилетиями считали просто звездой.

QSO J0529−4351 находится на расстоянии около 12 миллиардов световых лет от нас, а значит свет от него, который мы видим сегодня, был испущен, когда возраст Вселенной составлял примерно 1,8 миллиарда лет — она была еще совсем юной.

В центре этого квазара находится сверхмассивная черная дыра массой около 17–20 миллиардов масс Солнца. И эта черная дыра — одна из наиболее быстрорастущих в известной Вселенной. Каждый день она поглощает около одной солнечной массы.

Есть ли квазары рядом с нами?

Абсолютно все известные квазары удалены на миллиарды световых лет от нас. В близлежащих галактиках их нет. Почему?

Потому что квазары существовали исключительно в молодой Вселенной, когда галактики были переполнены газом и пылью — топливом для сверхмассивных черных дыр. В те времена черные дыры активно питались, стабилизируя свои галактики и интенсивно светясь.

Со временем сверхмассивные черные дыры расчистили свои окрестности — поглотили все до чего позволяло "дотянуться" гравитационное поле — и перешли в "спящий режим". То есть сверхмассивные черные дыры никуда не делись, они продолжают пребывать в центрах всех крупных галактик, включая Млечный Путь, — но они больше не светятся** как квазары, потому что нет для этого ресурсов.

**И все же в центрах некоторых галактик есть активные черные дыры. Однако в сравнении с квазарами они светятся крайне тускло, потому что вокруг уже нет такого количества "свободной" материи.

Квазары и судьба галактик

Энергия, выделяемая квазаром, настолько велика, что способна остановить звездообразование в родительской галактике.

Связано это с тем, что джеты и мощное излучение нагревают окружающий газ и часть его выбрасывают из галактики, лишая ее ключевого материала для формирования новых звезд. Это подтверждают наблюдения: в наиболее массивных галактиках практически прекратилось звездообразование.

Интересное наблюдение: в нашей Галактике каждый год рождается всего около 2-3 новых звезд, что является очень низким показателем. Можно предположить, что Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, в свое время питала квазар, который "выжег" львиную долю газа.

Квазары — это одновременно разрушители и созидатели. Они отвечали за рост галактик и распределение материи в ранней Вселенной, формируя ее структуру.

Эра квазаров закончилась миллиарды лет назад. Однако свет, испущенный ими, все еще продолжает свое путешествие по просторам Вселенной, рассказывая о том, каким было это таинственное мироздание в самом начале своей истории.

Читайте также:

• Квазар из ранней Вселенной озадачил астрономов.
• “Джеймс Уэбб” показал квазар SDSS J165202.64+172852.3.
• Сверхмассивные черные дыры формируют химический состав своих галактик.

Туманность Гомункул: эхо Великой вспышки и звезда на грани взрыва

Туманность Гомункул — это биполярная эмиссионная туманность в созвездии Киль, находящаяся на расстоянии около 7 500 световых лет от Земли.

Она представляет собой результат выброса вещества звезды-гипергиганта Эта Киля A, масса которой превышает массу Солнца примерно в 100-120 раз. Диаметр этой звезды в 200 раз больше солнечного, а светимость — в пять миллионов раз.

Породившая туманность звезда Эта Киля A является частью двойной системы. Эта Киля B — более "скромный" компаньон с массой около 30-80 масс Солнца и диаметром в 20-24 раза больше солнечного. Его светимость в 500 000 раз превышает аналогичный параметр нашей звезды.

В 1843 году Эта Киля A пережила так называемую Великую вспышку — событие, которое на короткое время сделало ее второй по яркости звездой на земном небе после Сириуса, удаленного "всего" на 8,6 световых года от нас.

Примечательно, что Эта Киля A начала аномально увеличивать свою яркость еще в 1837 году, а пик был достигнут через шесть лет. К 1856 году она перестала быть видимой невооруженным глазом.

В ходе Великой вспышки Эта Киля A выбросила в окружающее пространство колоссальное количество материи — по разным оценкам, от 10 до 20 солнечных масс. Это вещество разлеталось со скоростью около 650 километров в секунду, формируя характерную двухлопастную (биполярную) структуру, напоминающую гантель или песочные часы.

Сегодня туманность продолжает расширяться, а ее полярный диаметр составляет около 0,7 световых года. Газ и пыль, выброшенные почти два века назад, до сих пор светятся под воздействием излучения центральной звезды.

Туманность Гомункул состоит из двух массивных "лопастей", направленных в противоположные стороны вдоль оси вращения звезды. Эта форма объясняется тем, что выброс происходил неравномерно: вещество двигалось быстрее вдоль полюсов звезды и медленнее в экваториальной области.

В центре туманности, где сталкиваются потоки газа, температура достигает миллионов градусов. Эти ударные волны порождают жесткое рентгеновское излучение, которое можно зафиксировать с помощью таких инструментов, как космическая рентгеновская обсерватория NASA "Чандра".

Эта Киля A — одна из самых массивных и нестабильных звезд в нашей Галактике, которая находится на поздней стадии эволюции и считается кандидатом в сверхновые.

По астрономическим меркам, Эта Киля может взорваться в любой момент — завтра вечером, через век или через несколько тысяч лет. Когда это произойдет, взрыв будет настолько мощным, что его можно будет наблюдать с Земли невооруженным глазом даже днем. Однако, учитывая удаленность двойной системы, это событие будет безопасным для нашей планеты и ее обитателей.

Джеты от растущей звезды

на снимке телескопа «Джеймс Уэбб»

Звёздные джеты, питаемые гравитационной энергией, выбрасываются по мере роста массы звезды и несут в себе информацию об истории формирования протозвезды.

Например, размер джетов зависит от массы протозвезды: чем больше джеты, тем массивнее протозвезда, разгоняющая плазму.

Солнце в рентгене

Ученые совместили снимки Солнца, сделанные в ультрафиолете и рентгене. Телескоп NuSTAR показал, что в некоторых участках температура достигает 1,7 миллиона °C — это сверхгорячий газ. Для сравнения, на обычных снимках с телескопа SDO температура в атмосфере звезды — около 600 000 °C.

Интересно, что участки с самой высокой температурой на Солнце не совпадают по расположению с самыми яркими. Самые мощные выбросы энергии возникают не случайно, а в зонах с особенно сильным магнитным полем и активной плазмой.

Сверхновая SN 2023vbw

Астрономы, возможно, заметили крайне редкий тип взрыва звезды, так называемую парно-нестабильную сверхновую. Так называется событие, при котором очень массивная звезда полностью уничтожает себя, не оставляя ни нейтронной звезды, ни чёрной дыры.

Парно-нестабильные сверхновые должны встречаться крайне редко, поскольку порождающие их звёзды чрезвычайно массивны. В какой-то момент температура в их недрах может стать настолько высокой, что гамма-кванты начинают превращаться в пары электрон-позитрон. Из-за этого резко падает давление излучения в ядре звезды, и гравитация начинает побеждать. Начинается катастрофическое сжатие, которое запускает мощнейшую термоядерную реакцию. В результате вся звезда буквально разрывает сама себя на части. Согласно расчётам, такой судьбе должны подвергаться звёзды с начальными массами примерно от 140 до 260 масс Солнца. Считается, что звёзды, способные завершить жизнь подобным образом, должны формироваться в среде с низким содержанием тяжёлых элементов.

Сверхновую SN 2023vbw обнаружили в октябре 2023 года в ходе обзора неба Zwicky Transient Facility. Вспышка произошла на окраине небольшой карликовой галактики, расположенной примерно в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Первоначально вспышку классифицировали как обычную сверхновую типа II, возникающую после коллапса массивной звезды. Однако дальнейшие наблюдения показали, что объект заметно отличается от типичных представителей этого класса.

Первое, что привлекло внимание исследователей была необычная кривая блеска. Яркость сверхновой постепенно росла и достигла максимума лишь примерно через 190 суток после взрыва. Затем последовало быстрое падение светимости, после чего объект перешёл в стадию медленного затухания. Общая энергия, излучённая SN 2023vbw, составила около 3 × 10⁵⁰ эрг, что более чем в десять раз превышает показатели обычных сверхновых типа II.

Дополнительный анализ выявил ещё одну необычную особенность. Во время роста яркости температура объекта оставалась практически постоянной, хотя оболочка продолжала расширяться. Для такого поведения необходим мощный внутренний источник энергии, который трудно объяснить в рамках стандартной модели коллапса массивной звезды.

Моделирование показало, что предшественником сверхновой, вероятно, был чрезвычайно массивный голубой сверхгигант. По форме кривой блеска SN 2023vbw напоминает знаменитую сверхновую SN 1987A, однако значительно превосходит её по яркости и продолжительности вспышки. Масса выброшенного вещества оценивается в диапазоне от 170 до 350 солнечных масс, а кинетическая энергия взрыва оказалась в 60-130 раз выше максимальной энергии, которую способны обеспечить обычные сверхновые, возникающие при коллапсе железного ядра. Свойства SN 2023vbw хорошо соответствуют теоретическим моделям парно-нестабильных сверхновых.

Важным аргументом в пользу гипотезы парно-нестабильной сверхновой стала и среда, в которой произошёл взрыв. Родительская галактика отличается низким содержанием тяжёлых элементов. Именно такие условия предсказывают теоретические модели для формирования звёзд, способных завершить жизнь подобным образом.

Авторы работы также предполагают, что звезда-предшественник могла возникнуть в результате слияния двух очень массивных компонентов двойной системы. Такой сценарий естественным образом объясняет наличие плотной газовой оболочки вокруг объекта. Учёные также отмечают, что будущие обзоры неба с помощью обсерватории Веры Рубин и космического телескопа Грейс Роман могут обнаружить десятки и даже сотни подобных событий. Это позволит лучше понять эволюцию и гибель самых массивных звёзд во Вселенной.

«Уэбб» разглядел голый камень за 48 световых лет

Иногда самое интересное в космосе — не атмосфера, океаны или признаки жизни, а буквально голая поверхность планеты. Именно её удалось рассмотреть у далёкого мира LHS 3844 b. Неофициально его прозвали Куакуа — «бабочка» на языке индейцев брибри Центральной Америки.

Планету нашёл телескоп TESS ещё в 2018 году по транзиту — проходу диска перед своей звездой. Куакуа примерно на 30% крупнее Земли, что относит её к суперземлям. Вращается она вокруг красного карлика по имени Батсу за каких-то 11 часов и приливно захвачена: одной стороной всегда повёрнута к светилу. Дневная половина при такой близости постоянно раскалена до 1000 кельвинов.

Команда из Института астрономии Макса Планка нацелила на планету прибор MIRI на борту «Джеймса Уэбба». Чувствительность телескопа такова, что удалось поймать свет, идущий прямо от поверхности раскалённого камня — без всякой атмосферы, которой тут попросту нет.

Дальше начинается детектив. Инфракрасный спектр дневной стороны сравнили с библиотеками горных пород Земли, Луны и Марса. Земная кора, богатая силикатами вроде гранита, уверенно отпала. А такая кора, между прочим, формируется долго и мучительно: нужна тектоника плит и вода в роли смазки, чтобы порода многократно плавилась, перемешивалась с мантией и выносила лёгкие минералы наверх. Раз у Куакуа этого нет — значит, ни земной тектоники, ни заметных запасов воды. Отсутствие атмосферы намекает и на другое: вулканизм, рождающий газы, давно затих.

Каково было бы пройтись по этому миру? Под ногами, вероятнее всего, базальт — вулканическая порода, богатая магнием и железом, как на Луне или в земных лавовых полях. Много битого камня и щебня, мало песка и пыли. Без атмосферного щита поверхность грызёт космическая погода: жёсткое излучение звезды и метеоритные удары перемалывают скалы в реголит и заодно темнят его, добавляя железо и углерод. Это хорошо ложится на наблюдения.

Картин две. Либо поверхность покрыта свежим тёмным камнем, недавно изверженным вулканами. Либо это древний слой, уже затемнённый космической эрозией, как лунный грунт. Какая из них верна, покажут новые сеансы «Уэбба» — тот же приём, что работает с астероидами, поможет понять, отражает ли свет цельная плита или рыхлая пыль.

Когда "Вояджер-1" покинет Солнечную систему?

Космический аппарат NASA "Вояджер-1" часто называют первым рукотворным объектом, выбравшимся в межзвездное пространство. Звучит эпично. Кажется, будто созданный людьми в XX веке зонд покинул родную планетную систему и теперь летит среди звезд...

Но здесь есть важный нюанс. "Вояджер-1" действительно достиг межзвездного пространства, но это не означает, что он покинул Солнечную систему.

Как же так? Давайте разбираться.

В 2012 году "Вояджер-1" пересек гелиопаузу — внешнюю границу гелиосферы. Гелиосфера — это гигантский "пузырь" околосолнечного пространства, заполненный потоком заряженных частиц — солнечным ветром — и находящийся под сильным влиянием магнитного поля Солнца. Внутри гелиосферы доминирует Солнце, а вот за гелиопаузой главную роль начинает играть межзвездная среда.

Именно поэтому ученые говорят, что "Вояджер-1" вошел в межзвездное пространство: он больше не находится внутри защитного пузыря солнечного ветра. Но Солнечная система — это не только область, заполненная солнечным ветром. У Солнца есть еще и гравитационное влияние, которое простирается намного дальше гелиопаузы.

Считается, что внешней границей Солнечной системы является облако Оорта, представляющее собой гигантскую оболочку из преимущественно ледяных тел, связанных гравитацией Солнца и находящихся от него на колоссальном расстоянии. Именно из облака Оорта приходят долгопериодические кометы.

И вот до этой области "Вояджер-1" еще даже не добрался.

Расчеты NASA показывают, что зонду потребуется около 300 лет, чтобы достичь внутреннего края облака Оорта. А прохождение через облако Оорта займет еще примерно 30 000 лет. И вот тогда можно будет сказать, что человечество выбралось за пределы Солнечной системы и устремилось к звездам. Не секрет, что цивилизации не существуют так долго, поэтому, вероятно, гордиться этим достижением будет некому. Или же наши далекие потомки, обживающие пережитки нашей реальности, банально забудут об этом, решая земные проблемы, которые мы им щедро готовим.

Получается странная, но с физической точки зрения абсолютно верная картина: межзвездное пространство начинается раньше, чем заканчивается Солнечная система.

На самом деле путешествие "Вояджера-1" только начинается.

После запуска в 1977 году и серии гравитационных маневров у Юпитера и Сатурна зонд получил огромную скорость — около 61 200 километров в час — и дальше движется по инерции. В космосе почти нет сопротивления, которое могло бы его быстро затормозить, поэтому аппарату не нужно постоянно "жечь топливо", чтобы продолжать путь, у которого нет конечного пункта назначения.

Сейчас "Вояджер-1" является самым далеким рукотворным объектом и движется в сторону глубин межзвездного пространства. Но даже столь огромная по человеческим меркам скорость выглядит ничтожной в масштабах Вселенной.

Читайте также:

• 10 интересных фактов об Облаке Оорта.
• Откуда на Луне кратеры со стороны Земли.
• Что находится за поясом Койпера.

WR124

Она относится к классу звёзд Вольфа–Райе - это очень массивные, горячие и крайне яркие звёзды на позднем этапе эволюции.

Такие звёзды теряют вещество с колоссальной скоростью, создавая вокруг себя туманности из газа и пыли. У WR124 это туманность M1-67, выглядящая как взрыв, застывший в космосе.

Звёзды Вольфа–Райе считаются предшественниками сверхновых и играют важную роль в обогащении Вселенной тяжёлыми элементами. Они редки, живут недолго по космическим меркам и потому особенно ценны для астрономов.

туманность интегрированного потока Mandel Wilson 9 (MW9)

расположенная в южном созвездии Райская Птица.

Подобные объекты состоят из межзвёздной пыли, освещённой не отдельными звёздами или скоплениями, а суммарным светом миллиардов звёзд нашей Галактики. Такие туманности занимают огромные области неба и лучше всего наблюдаются вблизи Северного и Южного галактических полюсов.

MW9 относится к числу крупных туманностей этого типа. Её видимый размер достигает почти трёх градусов - это примерно шесть диаметров полной Луны. Облако находится примерно в 300 световых годах от галактической плоскости. А если внимательно рассмотреть снимок, на фоне пылевой структуры можно заметить далёкие галактики, случайно попавшие в поле зрения телескопа.

NGC 474

Галактика NGC 474 буквально разрывается на части приливными влияниями спиральной галактики (на снимке их можно разглядеть позади и прямо над ней)

Внешний вид этой галактики – прямой результат её столкновений с другими галактиками. Окружающие её оболочки – это приливные «хвосты» из остатков многих маленьких галактик, поглощённых ей за последний миллиард лет.