радиогалактика

Частица с энергией $$10^{18}$$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей.

Галактика Mrk 590 ведёт себя как радиоприёмник, который то ловит волну, то уходит в шум. Её сверхмассивная чёрная дыра десятилетиями то разгоралась, то гасла, и астрономы ловили каждое такое «включение». В 2017 году приёмник снова ожил — но радиотелескоп VLA услышал не тот сигнал, которого ждали.

Ночное небо полно колец и пузырей, но в радиодиапазоне они выглядят иначе. В данных австралийского радиотелескопа ASKAP всплыла структура, похожая на два мыльных пузыря, выдутых из одной соломинки. Один пузырь почти идеально круглый, второй слегка налезает на него — будто их выдохнули с разницей в секунду.

В центре почти каждой крупной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра — объект с массой в миллионы или миллиарды раз больше солнечной, чьё гравитационное притяжение не выпускает даже свет. Обычно она пребывает в состоянии покоя, но иногда, подобно внезапно пробудившемуся вулкану, выбрасывает узкие струи плазмы — джеты.

Скопление галактик RXC J0528.9−3927 похоже на город, окутанный туманом: в центре ярко светит радиоореол, а дальше, за пределами привычных границ, астрономы разглядели едва заметное свечение. Оно тянется на два миллиона световых лет — втрое дальше, чем сам ореол. Телескоп MeerKAT в Южной Африке собирал этот тусклый свет 12,9 часа, как фотограф, снимающий ночное небо с длинной выдержкой.

Ночное небо кажется ровным, но на самом деле в нём есть сгустки — огромные сообщества галактик, которые как линзы искривляют свет далёких объектов. Когда где-то во Вселенной происходит короткая мощная радиовспышка, её путь к земному телескопу может проходить рядом с таким сгустком.

Радиотелескоп, словно чуткое ухо, улавливает шёпот далёких галактик. Среди этого шума прячутся исполины — гигантские радиоисточники. Это облака заряженных частиц, выброшенные из окрестностей сверхмассивных чёрных дыр. Они растянулись на миллионы световых лет — в десятки раз больше нашей Галактики.

В центрах многих галактик скрываются исполинские чёрные дыры. Их окружает плотное облако раскалённой плазмы, которое испускает мощное рентгеновское свечение.

Яркий фонарь в густом тумане кажется тусклым, а слабый огонёк в прозрачном воздухе виден за километр. Эта аналогия помогает понять парадокс, почти полвека ставивший в тупик астрофизиков.

Глубоко подо льдом Южного полюса, на глубине почти два с половиной километра, работает необычный телескоп. Он направлен не в небо, а сквозь Землю. Его добыча — нейтрино, частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом и пролетают планеты и звёзды насквозь. Но иногда нейтрино всё же врезается в молекулу льда.

В центре Млечного Пути, окутанная пылью и заревом, скрывается сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A*. Вокруг неё, как мотыльки у пламени, кружат десятки звёзд-ориентиров. Две из них, S2 и S38, с эксцентрическими орбитами и периодами в несколько лет, стали главными героями в проверке фундаментальных законов мироздания.

Космос полон криков, которых мы не слышим. Каждый раз, когда чёрная дыра разрывает звезду, рождается ослепительная вспышка, и часто — узкий релятивистский джет, бьющий на тысячи световых лет. Но если этот прожектор направлен в сторону от Земли, мы видим лишь слабый отсвет — радиоэхо, приходящее с задержкой.

В центре многих галактик прячется сверхмассивная чёрная дыра, выбрасывающая релятивистские струи плазмы на сотни килопарсек. Одна из таких — радиогалактика ESO 137-G007 в скоплении Наугольника, известная как «Галактика-штопор» за свои закрученные джеты.

В центре почти каждой крупной галактики прячется сверхмассивная чёрная дыра, чью гравитационную бездну впервые математически описал Карл Шварцшильд. Когда она заглатывает газ, рождается ослепительное активное ядро — квазар.

В 2017 году антарктический нейтринный телескоп IceCube зарегистрировал частицу с энергией около 290 ТэВ, пришедшую из глубин космоса.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Каждый быстрый радиовсплеск — как гулкий удар колокола в пустоте. И в его затухающем звоне зашифрована вся структура пространства: на пути в миллиарды световых лет радиоимпульс слегка задерживается каждым встречным свободным электроном.

В первые мгновения после Большого взрыва материи и антиматерии было почти поровну. Но что-то нарушило равновесие — иначе всё аннигилировало бы в излучение, и мир остался бы пустым. Один из кандидатов на роль «нарушителя» — сверхтяжёлые правые нейтрино. Это частицы-близнецы обычных нейтрино, только массивнее в миллиарды раз.

Блазары — это долгоживущие струи плазмы, вырывающиеся из окрестностей чёрных дыр в ядрах галактик. Гамма-всплески — кратчайшие, но невероятно мощные вспышки, рождающиеся при коллапсе массивных сверхновых или слиянии нейтронных звёзд.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, подобные вибрациям гигантской космической струны. Обычные детекторы, такие как LIGO и Virgo, улавливают низкочастотные «ноты» — возмущения от слияния массивных чёрных дыр звёздных масс.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

Космические чёрные дыры в центрах галактик — словно громадные баньяновые деревья: их воздушные корни-нити тянутся на килопарсеки, чтобы добыть питательное вещество. Десятилетиями астрономы спорили: как охлаждающийся газ из атмосфер скоплений попадает в сферу влияния сверхмассивной дыры? И как при этом теряет угловой момент?

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была кипящим котлом. Но затем, согласно новой гипотезе, она на короткое время резко остыла — намного сильнее, чем считалось раньше. В этом ледяном мире частицы тёмной материи, похожие на крошечные маятники, замерли и не начинали свои колебания.

Мощный пылесос засасывает не только пыль, но и собственный мешок для сбора мусора. Примерно так ведёт себя чёрная дыра в центре «красной точки» — далёкой галактики, где свечение идёт не от самой дыры, а от её плотной газовой шубы. Эта шуба настолько толстая, что напоминает раздутую холодную звезду. И, как у многих звёзд, у неё есть магнитное поле.

Представьте натянутый батут: положите на него тяжёлый шар — ткань прогнётся. Примерно так массивные объекты искривляют само пространство-время. Гравитационные волны — это рябь, расходящаяся от таких катастроф, как слияние чёрных дыр.

Камень падает в пруд — у берега круги почти незаметны, а рядом с местом падения вода бурлит. Похоже ведёт себя электрическое поле вокруг заряда: вблизи оно резкое и запутанное, а на расстоянии вытягивается в ровную волну, уносящую энергию. Эту далёкую область физики называют зоной излучения.

В огромном зале расставлена сотня камертонов. Каждый из них — это пульсар, сверхплотный остаток звезды, который вращается с бешеной скоростью и посылает радиоимпульсы точнее любых часов. Когда через зал проходит низкая звуковая волна, все камертоны начинают чуть-чуть расстраиваться одновременно.

В центре многих галактик сидит сверхмассивная чёрная дыра. Когда на неё падает газ, он разогревается и светится ярче целой галактики — это активное ядро. Иногда оттуда вырывается настоящий ураган: поток ионизованного газа, который мчится со скоростью в десятки процентов от скорости света.

Галактика похожа на светящийся блин, усеянный звёздами. Если смотреть на неё плашмя, видно всё сразу — и яркие рукава, и тёмные прослойки пыли. Но стоит наклонить блин, и картина меняется: слои накладываются, свет смешивается. Именно этот эффект, как выяснилось, создаёт иллюзию тесной связи между радио- и гамма-излучением в далёких звёздных системах.

Камертон, начав звучать, заставляет вибрировать соседние струны. Примерно так же ведёт себя облако сверхлёгких частиц (их ещё называют аксионами) вокруг быстро вращающейся чёрной дыры. Дыра, словно мотор, раскручивает частицы, и те начинают излучать гравитационные волны — дрожь самого пространства.

Мощный прожектор светит сквозь густой туман. Самого луча не видно, но туман начинает слабо мерцать — и выдаёт присутствие прожектора. Похожий принцип работает с нейтрино: почти неуловимые частицы рождаются, когда быстрые протоны из далёких галактик врезаются в вездесущее реликтовое излучение (слабый микроволновый фон, оставшийся после…

Фонтан бьёт из центра города со скоростью, в тысячи раз превышающей скорость курьерского велосипеда. Такой «фонтан» — поток газа, разогнанный до 5500 километров в секунду, — астрономы увидели в галактике GLIMPSED-329380. Она находится так далеко, что свет от неё шёл до нас 13 миллиардов лет: мы видим её такой, какой она была, когда Вселенной было всего 800 миллионов лет.

Космический гамма-телескоп Ферми на протяжении 17 лет регистрировал гамма-излучение от активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Крошечные первичные чёрные дыры, рождённые сразу после Большого взрыва, должны постепенно испаряться — терять массу, излучая частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом.

Красные квазары — это яркие ядра далёких галактик, окутанные пылью, которая делает их свет красноватым. Астрономы заметили, что у таких квазаров чаще, чем у обычных голубых, встречается компактное радиоизлучение — радиоволны, идущие из области размером с галактику или меньше.

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

Стандартная космологическая модель описывает рождение Вселенной как взрыв из сингулярности — точки с бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени.

В чрезвычайно далёкой галактике зажглась своего рода космическая неоновая вывеска: почти всё её излучение исходит от раскалённого газа, а звёзды буквально теряются в этом сиянии. Инструменты «Джеймса Уэбба» зафиксировали, что газ — смесь водорода и гелия — разогрет настолько, что светится сам, без помощи звёзд.

Если в центре галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра, она разогревает падающий на неё газ до невероятных температур. Этот газ светится, и мы видим его как квазар — ярчайший маяк во Вселенной. Но как измерить размер самого источника света? Учёные используют хитрый приём: следят, как быстро меняется яркость на разных цветах.