Космический телескоп «Чандра» сфотографировал впечатляющие остатки взорвавшихся звезд, наблюдал область вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашего Млечного Пути и обнаружил черные дыры по всей Вселенной, проследил отделение темной материи от обычной при столкновении галактик. Его миссия продолжает открывать поразительные новые научные данные о нашей Вселенной. В подборке показываем изображения, полученные обсерваторией, и объясняем, в чем их ценность для науки.
01. Откуда у кометы рентгеновское излучение?
Рентгеновские снимки кометы C/1999 S4 сделаны в 2000 году. 14 июля обсерватория фотографировала комету в общей сложности в течение 2,5 часа и обнаружила рентгеновское излучение от ионов кислорода и азота.
До наблюдений «Чандры» астрономы предложили несколько моделей, объясняющих, как кометы могут излучать в рентгеновском диапазоне. Данные спектрометров телеспопа показывают, что оно возникает в результате столкновений заряженных частиц, уносящихся от Солнца (солнечный ветер), с газом в комете. При столкновении ион от Солнца захватывает электрон из атома кометного вещества и переводит его в высокоэнергетическое состояние. При этом испускаются рентгеновские лучи, когда электрон в солнечной частице переходит в более низкое энергетическое состояние.
Наблюдения «Чандры» показали различия в количестве рентгеновских лучей, излучаемых кометой. Вероятно, это произошло из-за солнечной вспышки, произошедшей 12 июля, которая могла увеличить интенсивность солнечного ветра.
Цвета обозначают интенсивность рентгеновских лучей: белый является самым интенсивным, затем по убыванию — желтый, оранжевый и красный.
02. Заглянуть в самый центр
Астрономы обнаружили необычный тип сверхновой вблизи центра Млечного Пути. Это составное изображение содержит данные «Чандры» (синий цвет) и радиотелескопа VLA (красный цвет) об остатке сверхновой, называемой Стрелец А Восток. Этот объект расположен очень близко к сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути.
Исследователи смогли использовать наблюдения Чандры, нацеленные на сверхмассивную черную дыру и область вокруг нее, в общей сложности около 35 дней, чтобы изучить остатки сверхновой.
Рентгеновский спектр показывает, что она является кандидатом на остатки так называемой сверхновой типа Iax, особого класса сверхновых типа Ia, которые используются для точного измерения расстояний в космосе и изучения расширения Вселенная.
Астрономы до сих пор спорят о причине взрывов сверхновых типа Iax, но основная теория заключается в том, что энергия от термоядерных реакций проходит через вещество звезды гораздо медленнее, чем в обычных сверхновых типа Ia. Такое относительно медленное движение приводит к более слабым взрывам и к образованию иных химических элементов. Астрономы отмечают, что сверхновые типа Iax возникают примерно в три раза реже, чем сверхновые типа Ia.
Предыдущие исследования показывали, что Стрелец А Восток был остатком коллапса массивной звезды, которая представляет собой совершенно другую категорию сверхновых, хотя не исключали и сверхновую типа Ia. Данные «Чандры» опровергли интерпретацию объекта и как массивной звезды, и как сверхновой типа Ia.
03. Эволюция джетов
Серия изображений позволила ученым проследить эволюцию крупномасштабных джетов, порождаемых черной дырой в двойной звездной системе. Как показано на схематичном изображении справа, газообразная материя, вырванная из звезды, образует аккреционный диск вокруг черной дыры. Газ нагрет до температуры в миллионы градусов, а мощные электромагнитные силы выбрасывают частицы высокой энергии.
Вспышка рентгеновского излучения от источника XTE J1550-564 была обнаружена аппаратом Rossi X-ray Timing Explorer в 1998 году. Дальнейшие наблюдения с помощью «Чандры» и радиотелескопов обнаружили сначала один джет, а затем другой противостоящий джет. Высокоэнергетические частицы удаляются от черной дыры примерно с половиной скорости света. Через четыре года после вспышки джеты переместились на расстояние более трех световых лет друг от друга, а левый джет замедлился и исчез.
Наблюдения показывают, что струя слева движется по линии, наклоненной к Земле, тогда как струя справа наклонена в сторону от Земли. Такое расположение объясняет, почему левый джет, по-видимому, пролетел дальше от черной дыры, чем правый, и почему он исчез первым.
Однако при таком расположении относительную яркость правого джета понять сложно, поскольку она удаляется и должен быть тусклее, чем кажется. Одно из объяснений состоит в том, что он врезается в плотное облако газа. Сопротивление газа замедлило джет и создало ударную волну, которая возбуждает электроны в струе, делая ее ярче. Форма правого джета указывает на то, что он взаимодействует с межзвездным газом.
Выброс джет из черных дыр звездной массы и сверхмассивных черных дыр является обычным явлением во Вселенной. Хотя предполагается, что все джеты замедляются из-за сопротивления газа, через который они движутся, для струй из сверхмассивных черных дыр этот процесс может занять миллионы лет. Джеты XTE J1550 первыми наблюдались в процессе замедления.
04. Далекая-далекая галактика
На этом составном изображении показан объект SPT2215: данные от «Чандры» синего цвета, наблюдения в ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном диапазоне телескопа «Хаббл» — голубого и оранжевого. Чтобы найти это далекое и необычно молодое скопление галактик, астрономы также использовали обсерваторию «Спитцер», Южный полярный телескоп и данные обзора Dark Energy Survey.
SPT2215 расположен примерно в 8,4 миллиарда световых лет от Земли. Это означает, что мы видим его таким, каким он был во Вселенной возрастом всего 5,3 миллиарда лет. Хотя на таком большом расстоянии было найдено несколько скоплений, SPT2215 обладает качеством, которое делает его особенно интригующим: он не имеет никаких признаков столкновений с другими скоплениями галактик.
Скопления галактик — одни из крупнейших структур во Вселенной — со временем растут за счет слияния с другими скоплениями или группами галактик. Однако, если в течение достаточного времени все было спокойно, вещество может распределиться равномерно, как это видно на примере SPT2215. Кроме того, центральная галактика в SPT2215 довольно изолирована, и в радиусе примерно 600 тысяч световых лет нет других галактик, которые были бы хоть сколько-нибудь такими же яркими или протяженными. Это означает, что скопление не сливалось с другим скоплением примерно в течение последнего миллиарда лет.
Ранее астрономы не находили так далеко подобное скопление галактик. Ученые даже не были уверены, что такие скопления возможны в столь раннюю эпоху существования Вселенной, когда она переживала суматоху слияний.
Еще один интересный аспект SPT2215 — свидетельства большого количества областей звездообразования в ее центре. SPT2215 имеет в центре очень большую галактику, ядро которой является сверхмассивной черной дырой. Этот факт доказывает, что большая часть горячего вещества остыла до такой степени, что могут образовываться новые звезды.
05. Крупномасштабная структура Вселенной
Это самое глубокое когда-либо полученное рентгеновское изображение. Эти данные дают астрономам лучшее представление о начавшемся вскоре после Большого взрыва росте черных дыр.
Цвета на изображении представляют различные уровни энергии: рентгеновские лучи с самой низкой энергией обозначены красным, средний — зеленым, а высокоэнергетические — синим.
Центральная область этого изображения содержит самую высокую концентрацию сверхмассивных черных дыр из когда-либо наблюдавшихся, а это примерно 5 тысяч объектов, которые могли бы уместиться на площади неба, покрытой полной Луной, и примерно миллиард объектов на всем небе. Астрономы нашли доказательства того, что черные дыры в ранней Вселенной растут в основном всплесками, а не за счет медленного накопления материи.