Астрономы впервые применили космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для наблюдения за вспышками Стрельца А* — сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути — в совершенно новом свете. Созданные на основе этих данных модели могут помочь ученым наконец понять, каким образом черные дыры порождают эти вспышки, и раскрыть ключевую роль магнитных полей в формировании вещества вокруг этих космических гигантов.

Группа исследователей под руководством Себастьяно фон Фелленберга из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне (Германия) впервые зафиксировала вспышки Стрельца А* в среднем инфракрасном диапазоне. Ранее подобные вспышки регулярно наблюдались в ближнем инфракрасном и других диапазонах, и каждый из них раскрывал разные грани одного и того же явления. Это связано с тем, что все изменения, которые происходят со вспышкой после ее зарождения и до затухания, по-разному проявляются в различных длинах волн. Таким образом, многодиапазонные наблюдения позволяют лучше понять механизмы, запускающие вспышки, и временные масштабы их эволюции.

До недавнего времени средний инфракрасный диапазон оставался недостающим фрагментом этой космической головоломки. Новые данные JWST, изученные и смоделированные командой и впервые представленные в январе 2025 года, позволили заполнить пробел в спектре вспышек Стрельца А* между инфракрасным и радиодиапазонами.

«Данные в среднем инфракрасном диапазоне невероятно ценны, потому что благодаря JWST мы смогли закрыть брешь между радиодиапазоном и ближним инфракрасным излучением, которая до сих пор была зияющей дырой в спектре Стрельца А*, — пояснил фон Фелленберг для Space.com. — С одной стороны, наша вспышка выглядит как типичная вспышка в ближнем ИК-диапазоне, так что теперь мы знаем, что они случаются и в среднем ИК-диапазоне — а это не очевидно, ведь, к примеру, в радиодиапазоне картина изменчивости выглядит совершенно иначе, и мы не видим там выраженных пиков».

«В то же время, — продолжил ученый, — наш результат идет гораздо дальше».

Впервые команда смогла одновременно наблюдать за объектом в четырех разных длинах волн с помощью одного инструмента. Это позволило им измерить так называемый спектральный индекс в среднем инфракрасном диапазоне.

В поисках истока вспышек

Самая известная особенность черных дыр — это наличие «горизонта событий», области, где гравитационное притяжение становится настолько чудовищным, что даже свет не может его преодолеть и необратимо падает к центральной сингулярности. Это означает, что черные дыры сами по себе не испускают никакого электромагнитного излучения.

Изучение Стрельца А*, чья масса превышает массу 4 миллионов Солнц, в любом диапазоне электромагнитного спектра может поэтому показаться парадоксальным.

Однако наша галактическая сверхмассивная черная дыра действительно регулярно «отрыгивает» вспышки света. Точная причина этих «выбросов» пока неизвестна, но моделирование указывает на то, что они могут быть результатом взаимодействия окружающих магнитных полей. Когда силовые линии магнитных полей пересоединяются, высвобождается колоссальное количество энергии, побочным продуктом которой является так называемое «синхротронное излучение».

Тот факт, что спектральный индекс вспышки Стрельца А* в среднем ИК-диапазоне меняется в течение ее жизни, показал команде, что вокруг черной дыры происходит процесс «синхротронного охлаждения». Это явление возникает, когда relativistic electrons теряют энергию, испуская синхротронное излучение. Именно эта энергия и питает наблюдаемое среднее инфракрасное свечение.

«Без высокочувствительных многочастотных наблюдений присутствие этого ожидаемого поведения ранее подтвердить не удавалось, — отметил фон Фелленберг. — Самое интересное, что поскольку скорость этого охлаждения зависит от силы магнитного поля, мы теперь можем измерить ее для конкретной вспышки».

Ученый пояснил, что хотя силу магнитного поля можно было измерить и по вспышкам в ближнем ИК-диапазоне, те измерения не позволяли сделать это независимо от других параметров, таких как общее количество электронов в области излучения.

«Этот новый способ определения силы магнитного поля особенно полезен, поскольку он довольно «чистый» — для него не требуется строить множество допущений, — продолжил фон Фелленберг. — Это очень важно для теоретических моделей, которые в случае со Стрельцом А* плохо ограничены, ведь данные о силе магнитных полей имеют ключевое значение».

Революционные возможности JWST

Исследователи подчеркивают, что эти наблюдения были бы невозможны без JWST и, в частности, без режима Medium-Resolution Spectrometer (MRS) его инструмента MIRI (Mid-Infrared Instrument).

«Чтобы добиться такой высокой чувствительности в среднем инфракрасном диапазоне, необходимо выйти в космос, поскольку земная атмосфера серьезно искажает наблюдения на этих длинах волн, — сказал фон Фелленберг. — Кроме того, инструмент MIRI/MRS — это первый инструмент, который предоставляет такое широкое спектральное покрытие для наблюдений за Стрельцом А*, что является обязательным условием для измерения спектрального индекса. Так что это двойной прорыв!»

Это открытие закладывает фундамент для нового этапа в изучении черных дыр. Теперь, имея в руках инструмент для «чистого» измерения магнитных полей, астрономы могут проверить фундаментальные предсказания Общей теории относительности Эйнштейна о поведении пространства-времени в непосредственной близости от горизонта событий. Следующим шагом станут длительные кампании по наблюдению за Стрельцом А с помощью JWST в coordination с другими обсерваториями, такими как Телескоп горизонта событий (EHT). Сравнение данных о магнитном поле с изображениями тени черной дыры позволит создать первую в истории полную магнитогидродинамическую модель окрестностей сверхмассивной черной дыры, окончательно разгадав тайну ее «огненных» вспышек.*

Исследование команды доступно на сайте препринтов arXiv, вместе с двумя дополнительными работами.