Что скрывает от нас центр нашей галактики или как найти огромную черную дыру?

Большинство из наблюдаемых современными астрономами галактик имеют в центральной области сверхмассивные черные дыры, и наша галактика, по-видимому, не исключение. Однако, справедливости ради, следует заметить, что существуют как доводы, подтверждающие эту гипотезу, так и доводы, ставящие ее под сомнение. В частности теория присутствия в центре Млечного Пути сверхмассивной черной дыры не согласуется с чрезвычайно низкой активностью центральной области нашей галактики, по сравнению с другими «доказанными» черными дырами в ядрах других галактик. Высказываются такие предположения, что это может быть несколько небольших чёрных дыр, нейтронные звёзды или шарообразное скопление тяжёлых нейтрино. Но об этом позже, а сейчас посмотрим на доводы ученых, утверждающих, что все-таки мы имеем дело с черной дырой.

В 1974 году в центральной части нашей галактики был обнаружен компактный, по космическим меркам, источник радиоизлучения, названный Sagittarius A*. Его изучение было весьма затруднено, поскольку наличие толщи газа и пыли не позволяло проводить исследования при помощи оптических телескопов. Однако этот объект был доступен для исследования в инфракрасном и рентгеновском диапазонах. Исследования, проводимые на протяжении нескольких десятков лет, показали наличие одного или нескольких массивных тел в центре нашей галактики, что подтверждало наличие черной дыры, но также и то, что Sagittarius A* может являться кластером из нескольких черных дыр или нейтронных звезд. Для того чтобы утверждать о наличии сверхмассивной черной дыры, необходимы были более веские доводы, и они были получены.

В 2001 году обсерваторией Chandra X-ray Observatory была зафиксирована чрезвычайно мощная вспышка в центре нашей галактики. Группа ученых под руководством Fredrick K. Baganoff из Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge исследуя Sagittarius A*, зафиксировали 45-кратное увеличение мощности рентгеновского излучения от источника, находящегося в центре галактики. Вспышка продолжалась в течение нескольких минут, после чего мощность источника начала спадать и по прошествии трех часов уравнялась с мощностью излучения, предшествующей вспышке. «Такое быстрый всплеск интенсивности рентгеновского излучения ярко свидетельствует о том, что это излучение вызвано поглощением материи сверхмассивной черной дырой, что подтверждается наблюдением аналогичных процессов аккреции вещества квазарами и другими активными ядрами галактик» сказал Fredrick K. Baganoff. Изучение центральной области Млечного пути в инфракрасном и радио диапазонах подтвердили наличие в области рентгеновской вспышки массивного темного объекта, предположительно черной дыры, с массой порядка 3 миллионов масс Cолнца.
Рентгеновская вспышка в центре нашей галактики

Как мы видим исследования центральной области нашей галактики в радио и рентгеновском диапазонах показывают возможность присутствия в ней сверхмассивной черной дыры, однако, для убедительного доказательства ее существования нужны были еще более убедительные доводы, т.к. не опровергались и другие гипотезы.

Определенность с явлениями в ядре Млечного Пути внесли десятилетние наблюдения за движением звезды, которую исследователи условно обозначили как S2. Эта звезда вращается вокруг центра галактики, подобно вращению Земли вокруг Солнца. С 1992 по 2002 год немецкие ученые из Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik — MPE под руководством Rainer SchOdel отслеживали движение в инфракрасном и радио диапазонах. Удалось вычислить период обращения этой звезды вокруг Sagittarius A*, который составляет 15,6 лет, при этом S2 максимально приближается к нему на 17 световых часов, и удаляется на пять световых дней. Никогда ни у какой другой звезды не удавалось проследить ее путь по орбите вокруг центра Галактики. Скорость движения S2 вокруг невидимого объекта составляет немыслимые для других звезд 11 миллионов миль в час (5 000 км/с), а расстояние до этого объекта в три раза превышает расстояние от Солнца до Плутона (Солнцу, кстати, расположенному в 26 тысячах световых лет от S2, требуется 230 миллионов лет, чтобы обойти вокруг центра Галактики). В остальном это вполне заурядная звезда, масса которой только в 15 раз превышает массу Солнца. Устойчивая эллиптическая орбита S2 может объясняться только тем, что массивный объект вокруг которого вращается эта звезда — сверхкомпактный, то есть один-единственный. Правда, существует еще одна экзотическая гипотеза — существование так называемой бозонной звезды, то есть звезда, состоящая из тяжелых элементарных частиц, называемых бозонами. Однако такая звезда по расчетам физиков, в конечном счете, все равно свернется в черную дыру. Наблюдения за S2 также позволили более точно определить массу предполагаемой черной дыры, которая по оценкам немецких ученых составила 2,6 миллионов масс Солнца.

Ну, вот, казалось бы, и все — доказали. Но для ученых этого оказалось мало. Такой диковинный объект, как сверхмассивная черная дыра, да еще по космическим меркам в непосредственной близости от нас (26 тыс. световых лет) является для ученых идеальным объектом для исследований свойств черных дыр. И результаты не заставили себя долго ждать.

Как известно ученых долго ставил в тупик такой вопрос — почему Sagittarius A* не такая активная черная дыра, как остальные, наблюдаемые в других галактиках. Как известно, черная дыра проявляет себя для внешнего наблюдателя только свечением поглощаемого ею вещества других звезд. Такое вещество, устремляясь к черной дыре, образует вокруг нее аккреционный диск, гравитационная энергия частиц которого при трении преобразуется в теплоту и излучение. Однако супермассивная черная дыра в нашем галактическом центре горит намного менее ярко, чем чудовищные коллапсары в других галактиках. Излучение, которое удается фиксировать на расстояниях в миллиарды световых лет.

Группа ученых из MPE нашла ответ на этот вопрос, изучая поляризованные радиоволны, исходящие из центра Млечного пути. При достаточно большом количестве вещества непосредственно в окрестностях галактического центра излучение должно было быть деполяризованным, однако ученые зафиксировали неожиданно высокий уровень поляризации излучения, что позволило оценить скорость поглощения массы черной дырой.
Центр нашей галактики в диапазоне волн, соответствующему радиоизлучению
Фото: Центр нашей галактики в диапазоне волн, соответствующему радиоизлучению. Chandra X-ray Observatory.

Раньше полагали, что наша черная дыра должна поглощать ежегодно вещество в количествах, эквивалентных 10 массам Земли. Новый анализ показывает, что она довольствуется менее чем 0,1 процента земной массы в год. Для сравнения: квазары поглощают за это же время около десяти солнечных масс. Таким образом, удалось объяснить чрезвычайно низкую активность ядра нашей галактики, и причина этому «голодная диета», на которой сидит сверхмассивная черная дыра Sagittarius A*. Эти данные позже были подтверждены исследованиями, проводимыми американскими учеными из Massachusetts Institute of Technology in Cambridge при помощи рентгеновской обсерватории Chandra X-ray Observatory, которые непрерывно в течение двух недель регистрировали рентгеновское излучение от Sagittarius A*. При этом исследователи более детально изучили окрестности сверхмассивной черной дыры. В частности выяснилось, что температура газа, окружающего Sagittarius A* составляет порядка 20 млн. градусов. Раскаленный газ занимает обширные области, простираясь на световые годы, что свидетельствует о том, что в прошлом здесь происходили очень бурные процесс, проще выражаясь — чудовищные взрывы. В результате этих процессов пространство вокруг Sagittarius A* «расчистилось», таким образом, обрекая черную дыру на голодное существование. Американским ученым, также впервые удалось зафиксировать джеты — реактивные струи частиц, вылетающих с околосветовой скоростью из окрестностей черной дыры. Джеты от Sagittarius A* простираются на 1-1,5 световых года.

Немного позже Международная группа астрофизиков из Германии (MPE), США (Physics at UC Berkeley), Израиля (Physics at the Weizmann Institute) и Франции (L’Observatoire de Paris) при помощи Very Large Telescope (VLT) Европейской южной обсерватории в пустыне Атакама впервые зафиксировали в инфракрасном диапазоне периодические вспышки от Sagittarius A*. Событие, за которым астрофизики охотились на протяжении более десяти лет, произошло утром 9 мая 2003 года и длилось 30 минут. В следующем месяце (16 июня) наблюдалась другая серия вспышек, которая продолжалась уже 85 минут. По вариациям свечения удалось установить, что эти яркие вспышки происходят с некой периодичностью, — грубо говоря, каждые 17 минут. Это возможно только при условии наличия вращающегося так называемого аккреционного диска из раскаленного газа, постепенно поглощаемого черной дырой, а значит, и сама черная дыра должна вращаться. Наблюдаемые вспышки повторялись каждые 17 минут, что означает, что центральная черная дыра делает оборот за 30 секунд. Для сравнения, Солнце, диаметр которого составляет одну десятую диаметра черной дыры (вернее не самой черной дыры, а ее горизонта событий), а масса в несколько миллионов раз меньше, делает полный оборот за месяц. Вот что сказал по поводу этого открытия Reinhard Genzel: » Это весьма крупное достижение. Мы теоретически знаем, что черная дыра может иметь только массу, скорость вращения и электрический заряд. В прошлом году мы сумели однозначно доказать существование и определить массу черной дыры в нашем галактическом центре. Если наше предположение, верно, то периодичность вспышек дает нам основное время, за которое газ из аккреционного диска делает оборот по орбите вблизи черной дыры, то есть мы, теперь впервые получили скорость вращения самой черной дыры. И она оказалась равна приблизительно половине максимальной скорости вращения, которую разрешает общая теория относительности.

Изображение центра нашей галактики в реальном цвете
Фото: Изображение центра нашей галактики в реальном цвете (видимое) полученное при помощи обработки данных рентгеновского, инфракрасного и радио излучений. Размеры показанной области 400х900 световых лет.

Теперь эра наблюдательной физики черной дыры действительно началась!». И действительно, в подтверждение этих слов можно сказать, что уже сейчас ученые действительно занимаются более детальным изучением важнейших характеристик Sagittarius A*. Уже сейчас известно, что сверхмассивные черные дыры являются неотъемлемой частью структуры всех спиральных галактик, подтверждением чего также служит наличие такого объекта в нашей галактике.

Ну, вот вроде бы и все, остальное как говорится — детали, интересные только узкому кругу специалистов. Но в заключении хотелось бы добавить, что при поиске черной дыры в центре нашей галактики ученые натолкнулись на массу других загадок, которые преподносит нам космос, в частности наличие в центральной части Млечного Пути большого количества, порядка нескольких тысяч, источников рентгеновского излучения, которые не идентифицируются как звезды. Вполне возможно, что это не что иное, как малые черные дыры или нейтронные звезды, но есть и другие, не менее убедительные гипотезы. Но это уже совсем другая история.

Автор: Е.М. Летков