В поисках космической паутины
Первоначально исследователи искали с помощью LOFAR нечто другое: тонкие нити космической паутины.
Космическая паутина — это крупномасштабная структура Вселенной, сеть материи, которая пронизывает все пространство между галактиками, сказал Оэй.
Эта анимация показывает космическую паутину, которая обеспечивает структуру нашей вселенной. Сотрудничество IllustrisTNG
Но, пытаясь наблюдать за космической паутиной, команда обнаружила большие струи, исходящие из галактик. В общей сложности команда обнаружила 10 000 новых пар струй черных дыр. Статья, описывающая эти пары, была принята к публикации в другом журнале, Astronomy & Astrophysics.
«Когда мы впервые обнаружили гигантские струи, мы были весьма удивлены», — сказал Оэй. «Мы понятия не имели, что их так много».
Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах крупных галактик. Наблюдения команды подчеркнули, что все большее число галактик имеют струи черных дыр, простирающиеся далеко за их границы, сказал Оэй.
Исследователь из другой области, соавтор исследования Эйвин Гаст, первым обнаружил самую массивную пару струй.
В то время Гаст был студентом бакалавриата, изучавшим классическую археологию и древнюю историю в Оксфордском университете. Но из-за пандемии его основная академическая работа была приостановлена, поэтому он предложил Оею помочь с визуальным осмотром радиоизображений, полученных LOFAR.
«Найдя Порфирион, мы оба были очень взволнованы, и после обсуждения я почувствовал волнение от того, что увидел и совместно открыл что-то особенное, чего никто раньше не ценил», — написал Оэй по электронной почте.
Как только команда подтвердила, в какой галактике возникли джеты, «Эйвин воспользовался своим классическим опытом и предложил дать системе красивое название «Порфирион», которое она теперь и носит», — добавил Оэй.
До наблюдений LOFAR считалось, что крупные струйные системы редки и, как ожидалось, имеют меньшие размеры. До того, как был обнаружен Порфирион, крупнейшей подтвержденной струйной системой черной дыры был Альционей.
Та же группа ученых обнаружила в 2022 году галактику Альционеус, также названную в честь мифического греческого гиганта. Эта струйная система равна примерно 100 галактикам Млечного Пути.
Галактика Млечный Путь оценивается в 100 000 световых лет в диаметре. Один световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год, что составляет 5,88 триллиона миль (9,46 триллиона километров).
Однако авторы исследования применили более широкий подход и предположили, что Млечный Путь имеет диаметр 163 078 световых лет, учитывая все звезды и невидимую материю в галактике, сказал Оэй.
Таким образом, они решили, что Порфирион эквивалентен 140 диаметрам Млечного Пути.
Теперь авторы заявили, что, по их мнению, по мере совершенствования технологии радиотелескопов можно будет обнаружить джеты, размер которых больше Порфириона.
Отслеживание галактического происхождения
Чтобы узнать больше подробностей о происхождении струй, команда провела последующие наблюдения с использованием гигантского радиотелескопа Metrewave в Индии и обсерватории WM Keck на Гавайях. Наблюдения указали на далекую галактику, примерно в 10 раз более массивную, чем Млечный Путь.
Данные, собранные обсерваторией Кека, также показали, что структуры возникли из-за активной черной дыры, работающей в радиационном режиме, а не из того типа, который, как известно, производит более крупные струи, что удивило исследователей.
Когда сверхмассивные черные дыры становятся активными, их гравитационная сила нагревает окружающий материал, который высвобождает энергию в форме излучения или струй. Черные дыры с радиационным режимом чаще встречаются в далекой Вселенной, в то время как черные дыры с струйным режимом чаще встречаются в близлежащей Вселенной, утверждают исследователи.
«Наше исследование предполагает, что активные черные дыры с радиационным режимом могут быть столь же способны генерировать гигантские джеты, как и активные черные дыры с реактивным режимом в близлежащей Вселенной», — сказал Оэй в электронном письме. «Мы узнаем, что гигантские джеты могут быть вековым явлением: теперь мы знаем, что они существовали на протяжении большей части жизни Вселенной. Наше исследование LOFAR охватило всего 15 процентов неба. И большинство этих гигантских джетов, вероятно, трудно обнаружить, поэтому мы считаем, что таких чудовищ гораздо больше».
В этой анимации материя нагревается, вращаясь вокруг черных дыр, и часть ее выбрасывается в виде быстро движущихся струй. Центр полетов имени Годдарда НАСА/Дж. Шниттман и Б. Пауэлл
Понимание того, как долго существовали струи гигантских черных дыр за 13,8 миллиарда лет существования Вселенной, может помочь астрономам выяснить, как эти струи повлияли на свое окружение.
Два больших вопроса, стоящих перед астрономами, — как Вселенная стала намагниченной и как появились крупномасштабные структуры космической паутины, которые лежат между галактиками. Массивные струи черных дыр могли бы помочь ответить на оба вопроса.
По словам авторов исследования, мощные струи черных дыр, если они будут существовать в течение миллионов лет, могут влиять на потоки материи в межгалактическом пространстве, высвобождая заряженные частицы и магнитные поля в пространстве.
«Когда струи достигают межгалактического пространства, мы думаем, что они оказывают большое влияние на нагревание (пространства) между галактиками и на его намагничивание», — сказал Оэй. «Одним из неожиданных открытий, сделанных при обнаружении этой гигантской системы струй, является то, что струи черных дыр могут достигать масштабов космической паутины. Они настолько велики, что могут достичь, в принципе, всего».
Исследования группы показывают, что Порфирион смог нагреть свое окружение в межгалактическом пространстве примерно на 1 миллион градусов.
«Если этот нагрев произошел достаточно рано в космическом времени, — сказал Оэй, — он мог замедлить формирование галактик, которым для коллапса и формирования требуется относительно холодная межгалактическая плазма или газ».
Новый поиск космических ответов
Команда продолжает исследовать, как струи черных дыр могут распространяться так далеко за пределы своей галактики, не становясь при этом нестабильными.
«Работа Мартина показала нам, что в среде этих гигантских источников нет ничего особенного, что могло бы заставить их достигать таких больших размеров», — заявил соавтор исследования Мартин Хардкасл, профессор астрофизики в Университете Хартфордшира в Англии.
Исследование представляет собой захватывающее открытие — «окаменелые останки» активности сверхмассивной черной дыры, которые могут показать, как струи и черная дыра развивались с течением времени, говорит Саша Чеховской, доцент кафедры физики и астрономии Северо-Западного университета.
«Удивительная долговечность струй также может помочь нам проверить физические модели струй, в частности, их устойчивость в условиях малых шансов на успешное бурение (межгалактического пространства)», — сказал Чеховской, который не принимал участия в новом исследовании.
Порфирион, возможно, также намагничивал свою локальную среду, и Оэй хочет понять, как массивные струи могли распространять магнетизм через космическую паутину. Происхождение магнетизма является ключевым, поскольку магнитные поля, подобные тому, что окружает Землю, могут защищать и ограждать поддерживающую жизнь атмосферу.
«Магнетизм на нашей планете позволяет жизни процветать, поэтому мы хотим понять, как она возникла», — сказал Оэй. «Мы знаем, что магнетизм пронизывает космическую паутину, затем проникает в галактики и звезды, а в конечном итоге и в планеты, но вопрос в том: где он начинается? Распространяют ли эти гигантские струи магнетизм по космосу?»
