През този месец честваме 100 годишнината от учредяването на Международния астрономически съюз (IAU), като вчера в София се проведе събитието „100 часа“ астрономия, организирано от Институт по астрономия с Национална астрономическа обсерватория към БАН.

Една малка, но важна част от обектите, които изследват астрономите в България са активните галактички ядра и техните свръхмасивни черни дупки.

Следете Фейсбук страницата на Института по астрономия, за да разберете първи за всички интересни събития, които предстоят през тази година. 

Както можете да се досетите от името им, свръхмасивните черни дупки съдържат милиони пъти по-голяма маса, отколкото типичните черни дупки от звезден тип. Под „маса“ имаме предвид физичната величина, която ни показва какво е количеството вещество в едно тяло. На Земята е лесно – намираме подходящият кантар и претегляме това, което искаме да изследваме. Как се справяме с обектите в космоса и какво използваме за мерна единица? В астрономията е прието да използваме за сравнение обект, който е познат на всички ни – нашето Слънце. За него знаем, че е с маса 1.9891 × 10³⁰ килограма. Ако искате да си представите колко много маса е това просто се опитайте да запишете числото 19891 и да добавите 26 нули след него.

Една типична черна дупка от звезден тип съдържа в себе си между три и 10 слънчеви маси, докато свръхмасивните черни дупки са с маси от порядъка на 10⁵ – 10 ¹⁰ пъти масата на Слънцето. Тоест за да получите масата на една свърхмасивна черна дупка трябва да умножите 1.9891 × 10³⁰ килограма по 10⁵ или много често дори по-голямо число. Получава се маса, която ни е трудно дори да си представим.

Но къде се крият свърхмасивните черни дупки и каква информация ни дават те за Вселената?

Интересът към този тип обекти значително нараства през средата на 50-те години на миналия век, когато младият учен Мартеен Шмид изследва странен обект в нощното небе, популярният сред астрономите 3C 273. Обектът изглежда като звезда, но е нетипично ярък, за да бъде звезда. Toва силно озадачава Шмид, който прави спектрален анализ на 3C 273, с което доказва, че това е нов тип обект и публикува данните си в статия, озаглавена „3C 273 : A Star-Like Object with Large Red-Shift“, в списание Nature.

Обектите от този тип са наречени „квазари“ – quasar – quasi-stellar object, като по-късно учените установяват, че това е един от многото класове обекти, които могат да се обединят под общото наименование „активни галактични ядра“ (active galactic nuclei – англ.)

Смята се, че свръхмасивните черни дупки съществуват в центровете на големите галактики, като дори нашата галактика – Млечният път си има такава черна дупка.

В продължение на много години астрономите са имали само непряко доказателство за свръхмасивни черни дупки, най-завладяващото от които е съществуването на квазари в отдалечени активни галактики. Наблюденията на измененията на енергията, излъчена от квазарите за единица време ни разкриват, че те излъчват над трилион пъти повече енергия, отколкото излъчва нашето Слънце, като тази енегрия идва от регион с размерите на Слънчевата система! Единствените механизми, способни да произвеждат такива огромни количества енергия, са механизмите, които задвижват черните дупки.

Последните преки доказателства за съществуването на свръхмасивни черни дупки идват от наблюдения на материя, която обикаля около центровете на галактиките. Високите орбитални скорости на тази материя, съставена от звезди и газ, може лесно да бъде обяснена, ако приемем, че те се ускоряват от масивен обект, със силно гравитационно поле, което се съдържа в малък участък от пространството – т.е. свръхмасивна черна дупка.

Астрономите все още изследват начините по които са се образували свръхмасивните черни дупки, защото се изисква огромно количество материя, което да бъде побрано в достатъчно малък обем. Някои хипотези предполагат, че свърхмасивните черни дупки се образуват след избухването на масивни звезди, които оставят след себе си черни дупки от звезден тип, които от своя страна натрупват материал в продължение на милиони години, нараствайки до свръхмасивни размери. Други казват, че е възможно група от черни дупки от звезден тип да са се слели под силите на гравитацията и да са образували свръхмасивна черна дупка.

Какъвто и да е механизмът на образуването на свръхмасивни черни дупки астрономите са съгласни с едно – натрупването на материал върху свръхмасивната черна дупка води както до образуването на активни галактични ядра, така и до галактически релативистки струи (джетове).

През по-голяма част от времето черните дупки са невидими за технологиите за наблюдения, с които разполагаме към момента, както знаем те не излъчват светлина, поради което е невъзможно да бъдат наблюдавани директно. Все пак когато материята попада (в астрономията се нарича „акретира“, а свойството „акреция“) върху свръхмасивните черни дупки, тя изригва, излъчвайки светлина, която е милиони пъти по-ярка от светлината на галактиката, в която се намира черната дупка. Тези ярки центрове на галактиките са това, което по-горе нарекохме „квазари“ и казахме, че днес астрономите използват общото наименование „активни галактични ядра“ (АГЯ, active galactic nuclei, AGN – англ.) Те са най-силното доказателство за същестуването на свръхмасивни черни дупки.

Трябва да кажем, че огромните количества светлина, които астрономите успяват да наблюдават не идват от самите свръхмасивни черни дупки. Те все още са невидими за науката, защото нищо, дори светлината не може да избяга от силата на тяхната гравитация. Вместо това блясъкът идва от студената материя (газ и прах), която обгражда черните дупки. Активните галактични ядра са толкова ярки и динамични обекти, че светлината им може да бъде засечена по целия светлинен диапазон от радио до гама лъчи и може да се променя в рамките на дни, дори часове. Материята, която обгражда свръхмасивните черни дупки може да образува акреционни дискове околко самите дупки като по този начин свръхмасивната черна дупка постоянно бива захранвана с енергия.

Активните галактични ядра са клас обекти, които с огромен ентусиазъм биват изследвани и от астрономите в България. Всички професионални звена, където се изучава астрономия в България имат традиции в изучаването на този клас астрономически обекти.

Откакто съществува Националната астрономическа обсерватория – Рожен (НАО Рожен) българските астрономи разполагат с мощно средство за изследване на нощното небе – телескоп с диаметър на главното огледало 2 метра, един от петте такива в Европа. 2-м телескоп може да се използва както за фотометричен (получават се изображения), така и за спектрален анализ на активните галактични ядра. За щастие на българските астрономи активните галактични ядра могат да бъдат изследвани и с по-малки по диаметър, но не и по качество и важност телескопи, като например другите телескопи с които разполага НАО Рожен, или телескопът, който е в астрономическата обсерватория в Белоградчик. През последните години даже бяха модернизирани и създадени обсерватории в близост до София и в близост до Шумен, които също допринасят в изследванията на активните галактични ядра.

През 2017 година, например, българският екип, работещ към Института по астрономия, БАН публикува статия за обект, наречен CTA 102. Обектът е от клас АГЯ, който е наречен „блазари“ (blazar). Наименованието му идва от комбинацията между прототипът на този клас обекти BL Lacertae и думата „квазар“.

Екипът от български астрономи е получил и анализирал повече от 100 часа наблюдения на блазара СТА 102, като по време на тези си наблюдения са установили може би най-яркото състояние на блазара наблюдавано някога! Както казахме АГЯ могат да променят блясъка си в рамките на дни, дори часове. СТА 102 е показал бърза променливост в рамките дори само на една наблюдателна нощ (Intra night variability – англ.), като под „бърза“ имаме предвид, че е променил интензитета, с който свети с 0.2 звездни величини. Такива звездни величини са невъзможни за наблюдение с невъоръжено око, за това астрономите разчитат на телескопите и на програмите за анализ на получените данни. Една много често използвана в астрономията програма е IRAF (Image Reduction and Analysis Facility).

Активните галактични ядра са обекти, които могат да бъдат изследвани с години и данните от тези изследвания да бъдат обобщавани в научни статии, които принадлежат на по-големи колективи. Нашите астрономи участват и в такива научни сътрудничества.

Активните галактични ядра са пъзел, който продължава да озадачава астрономите по цял свят. Постоянно се усъвършенстват технологиите, с които тези обекти могат да бъдат наблюдавани, като така се дава възможност знанията да стават по-ефективни и да достигат по-бързо до широката публика.

Активните галактични ядра са успели да пленят в своята гравитация и авторът, Роса Виктория Муньос Димитрова-Гаммелтофт, на настоящата статия, като научна дисертация върху тези атрактивни обекти ще бъде защитена пред научно жури по-късно през тази година.