В конце января Южноафриканская радиоастрономическая обсерватория (South African Radio Astronomy Observatory, SARAO) выложила в общий доступ радиоизображения центра Млечного Пути, демонстрирующие особенности радиоизлучения в этой области с невероятной чёткостью и глубиной. На некоторых снимках даже можно разглядеть радиоизлучение, исходящее от области Стрелец A* — сверхмассивной чёрной дыры, окружённой горячим плотным радиоизлучающим газовым облаком. Радиоизображения исследователей разобраны в двух препринтах, также опубликованных в открытом доступе. В материале рассказываем, кто проводил исследования, показываем изображения и разбираем часть полученных данных.
Коротко о MeerKAT
Объект исследования — Галактический центр (ГЦ) со всеми его регионами, в том числе радиоисточником Стрелец А. В нём находится сверхмассивная чёрная дыра, а также огромное количество молекулярного газа и энергии для звездообразования. ГЦ исследовали специалисты SARAO с помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT, официальный запуск которого состоялся в 2018 году.
MeerKAT состоит из 64 антенн диаметром по 13,5 метров каждая. Впервые его запустили в 2016 году в тестовом режиме. В первый же сеанс (с запуском 16 из 64 антенн) было открыто 1230 новых галактик на небольшом участке звёздного неба (0,01% от общей площади), где до телескопа удалось обнаружить всего 70 галактик. Как указали исследователи, результаты теста существенно превысили их ожидания. Даже при работе не в полную мощность чувствительность радиотелескопа превышала все остальные подобные телескопы, находящиеся в Южном полушарии. Ещё до открытия в очередь на проведение исследований в период с 2017 по 2022 годы встали более 500 коллективов из 45 стран.
MeerKAT планируют объединить с сетью радиотелескопов в других странах и создать один большой комплекс Square Kilometre Array (SKA) общей площадью более 5 км². Окончание строительства комплекса назначено на 2029 год.
В отличие от оптических телескопов, MeerKAT работает с радиоволнами, в данном случае — в L-диапазоне. К L-диапазону относятся длины волн от 30 до 15 см. В ходе нового исследования учёные анализировали излучение в диапазоне 856-1712 МГц. Телескоп ловит радиоволны и измеряет энергию радиоизлучения, исходящую от источника, на который направлен. Если необходимо изучить протяжённый объект, антенны поворачиваются и измеряют яркость излучения вдоль него. Для сканирования ГЦ понадобилось 20 наблюдений общей продолжительностью около 200 часов. По итогам наблюдений исследователи получили 70 терабайт данных, которые обрабатывали два суперкомпьютера в Кейптауне — в Центре высокопроизводительных вычислений Ленгау и в Межуниверситетском институте астрономии, включающем в себя несколько высших учебных заведений и SARAO.
Стоит отметить, что получившиеся радиоизображения нельзя назвать фотографиями в привычном понимании этого слова. Собранные телескопом данные обрабатываются, после чего на их основе создаётся единое изображение, отражающее исключительно мощность радиоизлучения. По нему можно судить о размерах и поведении изучаемых объектов, особенностях магнитных полей или, например, обнаружить новые объекты, которые до этого не смогли зафиксировать оптические телескопы. Аналогичным образом в 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) не сфотографировал чёрную дыру, а зафиксировалполяризованное излучение от аккреционного диска вокруг неё. По особенностям излучения удалось установить структуру магнитного поля, что в данном случае оказалось намного полезнее оптического изображения.
Почему именно Галактический центр и Стрелец А?
Как указывают исследователи SARAO в своих препринтах, эта область уже давно интересует учёных. Существует несколько свидетельств того, что радиоисточник с обозначением Стрелец A* совпадает с динамическим центром Млечного Пути и отмечает положение сверхмассивной чёрной дыры с массой, в 4 млн раз превышающую массу Солнца. Участок вокруг чёрной дыры представляет из себя скрученную, похожую на пончик структуру размерами в пределах 200 парсеков. Она буквально набита облаками из молекулярного газа и пыли (Центральная молекулярная зона, ЦМЗ), которые, как считается, поддерживаются и управляются сердцем галактики. Среда в этой области имеет экстремальные значения по сравнению со средой в других регионах Млечного Пути. В частности, плотность, температура и турбулентная скорость газа в этой области на 1-3 порядка выше, чем в среднем по галактике, а плотность энергии космических лучей составляет 2-3 или более чем на порядок выше средних значений.
Также здесь находятся несколько молодых массивных звёзд и звёздные скопления на расстоянии всего 0,3 парсеков от Стрельца А*. Учёные предполагают, что их образование вызвано выпадением молекулярных облаков с внутренней стороны ЦМЗ. Некоторые особо “плотные” области являются местами интенсивного звездообразования, при этом в других аналогичных областях указанный процесс вообще отсутствует.
Благодаря высокому разрешению MeerKAT исследователи получили возможность по-новому взглянуть на морфологию многих известных радиообъектов в ГЦ, выявить некоторые ранее неизвестные структуры, получить улучшенные радиоданные и зафиксировать многочисленные объекты, ранее найденные при анализе других диапазонов волн. С учётом плотности региона, буквально за раз авторам исследования удалось получить огромный массив данных и обновить знания о ГЦ.
Разбор изображений
ГЦ в общем изучали в период с мая по июль 2018 года, задействуя от 60 до 62 антенн на разных этапах наблюдения. Ниже представлено радиоизображение, сложенное из 20 “снимков”, полученных в ходе исследования. Яркий оранжевый шар посередине — область Стрелец А. Также на радиоизображении ГЦ можно увидеть несколько радиопузырей и другие источники радиоизлучения (радиообъекты), такие как Стрелец В2, Стрелец В1, Мышь, Пеликан и не только. Справа вверху представлена шкала, отражающая интенсивность излучения.
Визуализация ГЦ составлена из 20 предварительно обработанных многочастотных снимков. Как отмечено в исследовании, в ходе их смещения возникло несколько проблем. Например, на ранних этапах были неверно проставлены временные метки, из-за чего итоговое положение объектов не соответствовало действительности. Эту проблему, а также другие ошибки, связанные с калибровкой и прочими моментами, удалось решить в ходе последовательной повторной обработки данных. Для проверки корректности координат данные соотносили с информацией, полученной с других радиотелескопов из сети Very Large Array в США. Соотнося данные об объектах, учёные проверяли итоговую астрометрическую точность полученных показаний.
Самый большой объект на визуализации ГЦ — комплекс из радиопузырей размером 430 парсеков, части которого отмечены как northern radio bubbles и southern radio bubbles. Но в исследовании авторы сосредоточились на более мелких и ярких структурах. Ниже представлен объект SNR G0.9+0,1, находящийся в верхней части карты. Яркая область внутри него была идентифицирована как плерион — туманность, подпитываемая пульсарным ветром.
Объект напомнил исследователям Крабовидную туманность, представляющую собой остатки взрыва сверхновой и плерион. На визуализации хорошо виден разрыв в оболочке объекта. Исследователи предполагают, что он появился из-за джета, исходящего из недр плериона. Есть и другой вариант — изотропный ветер от плериона мог сосредотачиваться в пучок вдоль прямой север-юг, если первоначальный взрыв сверхновой породил расширяющуюся оболочку, плотность которой увеличена на восточном и западном направлениях (или эта оболочка, расширяясь, попала в такую среду). Форма разрыва намекает на эпизодическую активность плериона внутри SNR G0.9+0,1.
Следующий заинтересовавший учёных объект — G0.8−0.4. Он находится в левой верхней части карты и не такой яркий, как SNR G0.9+0,1. Рядом с ним можно заметить обозначение SNR со знаком вопроса. Исследователи подозревают, что это ещё одна сверхновая, но не уверены в этом. Это также может быть облако горячей плазмы, то есть область H II (ионизированного водорода). Примечательно, что внутри объекта несколько лет назад WISE обнаружил источник инфракрасного излучения. Исследователи отмечают, что если это область H II, то MeerKAT также должен был обнаружить соответствующее радиоизлучение, но его нет. К тому же, показатели ИК-излучения схожи с теми, что ранее наблюдали у остатков сверхновых.
Жёлтыми кружками выделено несколько объектов вокруг G0.8−0.4. Самые большие из них, чем-то напоминающие лопасти, могут быть активными ядрами галактик (active galactic nuclei, AGN). В остальном, как предполагают учёные, это могут быть либо ионизированные области вокруг массивных звёзд, либо планетарные туманности.
Следующий объект — G358.7+0.8. Это большой радиопузырь в правой части карты ГЦ, на самом краю. Как указывают исследователи, до MeerKAT о нём не было известно. Это совершенно новый радиообъект и, вероятно, он также представляет из себя остатки сверхновой. Учёные также предположили, что это может быть планетарная туманность по типу PN Abell 39. Они схожи между собой по радиоморфологии. Однако считается, что радиоизлучение от планетарных туманностей практически всегда возникает в результате нетепловых процессов, и, если оценка спектрального индекса точна, этот факт противоречит свойствам объекта.
В своём исследовании авторы не определились, что это — планетарная туманность или остатки сверхновой. В обоих случаях есть несколько факторов, противоречащих предположениям. Также исследователи отметили жёлтым кружком небольшой “мышиный хвостик” и нарушение в оболочке объекта. Последнее, скорее всего, это просто дефект при сшивании изображений. Радиоисточник на конце хвоста может быть звездой, теряющей массу, а хвост — нетепловым филаментом, представляющим собой остатки звезды.
Ещё один кандидат на сверхновую — G0.33+0.04. Он показан на изображении ниже. Радиообъект отмечен на карте как SNR G0.3+00 и находится довольно близко к области Стрелец А. Его изучение усложнено тем, что объект пересекается с множеством других радиоструктур. За счёт особенностей морфологии объекта и изучения его многочастотного радиочастотного спектра (от 80 МГц до 15 ГГц) исследователи считают, что это не что иное, как вспышка сверхновой.
Отдельного внимания заслуживают многочисленные магнитные филаменты, обнаруженные в ГЦ. Они являются источниками синхротронного излучения с магнитными полями, распределёнными по длине нитей. Существует множество теорий, касающихся их возникновения, но единого убедительного объяснения процесса их образования нет. Ниже представлен большой коллаж с 28 фрагментами, демонстрирующими различные морфологические свойства филаментов в общей популяции.
Определяющее свойство — линейная структура объекта. При этом исследователи выделяют несколько отдельных групп с дополнительными свойствами. Например, на фрагментах 4, 16, 18, 19 видно, что это единичные нити, без дублирования и пересечения с другими объектами. На фрагментах 5, 6, 11, 20 и 24 видно несколько параллельно расположенных нитей. Кстати, объекты на фрагментах 5 и 11 носят названия Арфа и Рождественская ёлка соответственно. Они отмечены на общей карте ГЦ.
Фрагмент 20 заинтриговал учёных пересекающим объектом, похожим на мышиный хвост у G358.7+0.8. Они допускают, что этот хвост непосредственно связан с филаментами и, скорее всего, отдаляется от них. На фрагментах 3, 7, 8 можно увидеть изгибы, как и на фрагменте 10. Изгибы на фрагментах 17, 18 и 19 сопровождаются выраженным повышением радиояркости. Нити на фрагментах 10, 11, 13 и 26 пересекаются с яркими радиоисточниками (яркие точки на фрагментах). Но уверенно нельзя сказать, связаны они между собой, или в процессе сведения изображений произошло наложение объектов. Объекты 2, 4, 27 и 28 были обнаружены впервые из-за низкой яркой и относительной удалённости от центра галактики. Самые яркие объекты — это Радиодуга (фрагмент 15) и нити, прилегающие к Sgr C (фрагмент 13). Они оказались значительно длиннее, чем предполагали исследователи.
Отдельно исследователи опубликовали фрагмент с многочисленными нетепловыми филаментами, охватывающими плоскость галактики между регионами Sgr A и Sgr С. Номера на спектральной карте соответствуют нумерации радиообъектов на коллаже выше.
Переходим к другим объектам, а именно — комплекс Sagittarius (Sgr) B или Стрелец В. Он условно разделён на две половины — Sgr B1 (G0.5−0.0) и Sgr B2 (G0.7−0.0). На карте ГЦ он расположен под уже рассмотренным SNR G0.9+0,1. Sgr B2 — гигантское газопылевое облако, содержащее множество небольших областей H II и молодые звёзды. Sgr B1 считается более старой половиной комплекса Sgr B с более развитыми областями Н II. В нём на порядок ниже масса молекулярного газа, а также нет доказательств продолжающегося массивного звездообразования. На изображении ниже изображена вся область Sgr B (Sgr B2 находится выше, Sgr B1, соответственно, ниже).
Следующий радиообъект — огромный радиопузырь с массивной аркой из филаментов (Radio Arc Bubble) и большой плотный радиоисточник Стрелец А с яркой серединой — сверхмассивная чёрная дыра Стрелец А*. Именно эту область считают динамическим центром Млечного Пути.
Считается, что оболочка огромного радиопузыря образована кумулятивным давлением сверхновых звёзд внутри объекта. Внутренняя часть служит домом для многочисленных массивных молодых звёздных скоплений. Отдельно исследователи представили самое сердце этого радиообъекта (изображение ниже). Серповидное образование — это область Н II. На радиоизображении можно увидеть пузырь, окружающий звезду LBV G0.120-0.048. Объекты, обозначенные как QR1–QR4, до MeerKAT не были известны науке. Их обнаружили на частоте 1,28 ГГц. Также исследователи нашли несколько новых филаментов.
Теперь перейдём к Стрелец А*. На спектральном изображении можно заметить своего рода “рукава” с завихрениями — так называемые мини-спирали ГЦ. По этому же изображению можно судить об ионизированной природе газа в этой области. Яркая кольцевидная структура, хорошо видимая на левом изображении, совсем не просматриваемая справа из-за её синхротронного спектра, совпадающего с более крупным гало Стрельца А*. Эта структура известна как Sgr A East и обычно интерпретируется как остаток сверхновой.
Летом 2021 года астрофизики выдвинули предположение, что Стрелец А* не сверхмассивная чёрная дыра, а гигантское скопление тёмной материи. Это могло бы объяснить некоторые аномалии, связанные с этим объектом. В частности, в 2014 году мимо Стрельца А* прошло газовое облако. Если бы объект был чёрной дырой, он бы уничтожил и затянул это облако в себя, но ничего не произошло. Исследователи провели компьютерное моделирование, и оказалось, что с гигантским скоплением тёмной материи в ГЦ галактика ведёт себя так же, как с чёрной дырой, при этом газовое облако остаётся невредимым, как и случилось в реальности.
По данным, полученным с MeerKAT, пока нельзя опровергнуть или подтвердить это предположение. При этом исследователи отметили, что это только первые этапы глобальной работы по изучению ГЦ. Они продолжат всматриваться в эту область и после объединения в SKA улучшить качество радиоснимков. Также исследователи планируют проработать нюансы со сведением кадров и обработкой изображений. Строго говоря, это большой, но пилотный проект по изучению ГЦ на полную мощь MeerKAT.
***
Скачать и самостоятельно рассмотреть изображения в высоком качестве можно здесь — The 1.28 GHz MeerKAT Galactic Center Mosaic.
Статья авторов с подробным разбором отдельных кадров и нюансами, связанными с наблюдениями — The 1.28 GHz MeerKAT Galactic Center Mosaic.
Статья авторов с общими выводами о проведённом исследовании и дополнительными данными — Statistical Properties of the Population of the Galactic Center Filaments: The Spectral Index and Equipartition Magnetic Field.
