Глава 25. Черная дыра в центре Галактики.

Галактический центр — сравнительно небольшая область в центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства которой резко отличаются от свойств других ее частей. Образно говоря, галактический центр — это космическая «лаборатория», в которой и сейчас происходят процессы звездообразования и в которой расположено ядро, когда-то давшее начало конденсации нашей звездной системы.

Рис. Обзор галактического центра в инфракрасном и оптическом излучениях.

Сверхмассивная черная дыра — это черная дыра с массой около 10⁵—10¹⁰ масс Солнца. По состоянию на 2014 год сверхмассивные черные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный Путь.

Общепринятой теории образования черных дыр такой массы еще нет. Существует несколько гипотез, наиболее очевидной из которых является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы черной дыры до сверхмассивной за счет аккреции вещества на черную дыру обычной массы. Другая гипотеза предполагает, что сверхмассивные черные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков, минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться черной дыре. В подобном случае коллапс приведет к их превращению в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч солнечных масс или больше. Релятивистскими (от английского relative–относительный) называются такие астрономические явления и небесные тела, для которых неприменимы классическая механика и закон тяготения Ньютона. К релятивистским условиям относятся: скорость движения, близкая к скорости света, чрезвычайно высокие значения давления и плотности энергии, а также гравитационного потенциала (близкие к квадрату скорости света). В основе релятивистской астрономии лежат специальная и общая теории относительностиА.Эйнштейна.

Рис. Компьютерное моделирование черной дыры в центре Галактики.

Еще одна модель предполагает, что сверхмассивные черные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных звездных кластеров, в которых скорости движения близки к релятивистским значениям. Наконец, первичные черные дыры могли образоваться из начальных возмущений сразу после Большого взрыва.

В настоящее время единственный достоверный способ отличить черную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задается формулой

{\displaystyle \ R_{g}={2GM \over c^{2}}}R_G = 2GM/c²,

где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света.

Гравитационная постоянная – физическая величина, характеризующая силу тяготения между двумя точечными телами единичной массы. Точность измерений гравитационной постоянной на несколько порядков ниже точности измерений других физических величин. В 2014 году Международной научной группой было рекомендовано значение гравитационной постоянной 6,67408*10^-11 м³*с^-2*кг^-1.

К сожалению, сегодня разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса черной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных объектов как черных дыр есть определенная степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звезд или черных дыр обычной массы.

Существует множество способов определить массу и ориентировочные размеры сверхмассивного тела, однако большинство из них основано на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звезд, радиоисточников, газовых дисков).

Основным методом поиска сверхмассивных черных дыр в настоящее время является исследование распределения яркости и скорости движения звезд в зависимости от расстояния до центров галактик. Распределение яркости получают фотометрическими методами при фотографировании галактик с большим разрешением, скорости звезд — по красному смещению и расширению линий поглощения в спектре звезды.

Поскольку черная дыра имеет большую массу при низкой светимости, одним из признаков наличия в центре галактики сверхмассивной черной дыры может служить высокое отношение массы к светимости M/L для ядра галактики. Плотное скопление обычных звезд имеет отношение M/L порядка единицы (масса и светимость выражаются в массах и светимостях солнца), поэтому значения M/L>>1 (для некоторых галактик M/L>1000), являются признаком наличия сверхмассивной черной дыры. Возможны, однако, альтернативные объяснения этого феномена: скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, черных дыр обычной массы.

В 1995 г. группа под руководством Дж. Морана наблюдала точечные микроволновые источники, вращающиеся в непосредственной близости от центра галактики NGС 4258. Методика наблюдений позволила наблюдать центр галактики с угловым разрешением 0,001". Всего было обнаружено 17 компактных источников, расположенных в дискообразной структуре радиусом около 10 св. лет. Источники вращались в соответствии с законом Кеплера (скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния), поэтому масса центрального объекта была оценена как 4·10⁷ масс солнца, а верхний предел радиуса ядра — 0,04 св. года.

Рис. Обзор Галактического центра в рентгеновских лучах.

В 1993—1996 годах А. Экарт и Р. Генцельнаблюдали движение отдельных звезд в окрестностях центра нашей Галактики. Наблюдения проводились в инфракрасных лучах, для которых слой космической пыли вблизи ядра галактики не является препятствием. В результате удалось точно измерить параметры движения 39 звезд, находящихся на расстоянии от 0,13 до 1,3 св. года от центра галактики. Было установлено, что движение звезд соответствует кеплеровскому, центральное тело массой 2,5·10⁶ масс солнца и радиусом не более 0,05 св. года соответствует положению компактного радиоисточника Стрелец-А (Sgr A).

Долгое время центр нашей Галактики, приблизительное положение которого (созвездие Стрельца) было известно по оптическим наблюдениям, не был отождествлен ни с каким компактным астрономическим объектом. Только в 1960 году Дж. Оорт и Г. Рогур установили, что в непосредственной близости (менее 0,03°) от галактического центра находится радиоисточник Стрелец A* (Sgr A). В 1966 году Д. Даунс и А. Максвелл, обобщив данные по радионаблюдениям в дециметровом и сантиметровом диапазонах, пришли к выводу, что малое ядро Галактики представляет собой объект диаметром 10 пк, связанный с источником Стрелец-А.

Рис. Первые инфракрасные центра Галактики – источника Стрелец-А.

К началу 1970-х годов, благодаря наблюдениям в радиоволновом диапазоне,стало понятно, что радиоисточник Стрелец-А имеет сложную пространственную структуру. В 1971 г. Даунс и Мартин, проводя наблюдения на Кембриджском радиотелескопе выяснили, что радиоисточник состоит из двух диффузных облаков, находящихся на расстоянии 1' друг от друга: восточная часть (Sgr A) излучает радиоволновой спектр нетермической природы, а западная (Sgr A*) представляет собой радиоизлучающее облако горячего ионизированного газа диаметром около 45" (1,8 пс). В 1974 году было проведено исследование радиоисточника Стрелец-А, в результате которого было обнаружено, что оба радиоисточника представляют собой компактные образования диаметром менее 10" (0,4 пс), окруженные облаками горячего газа.

Рис. Радиоисточник Стрелец-А и окружающие его облака горячего газа в рентгеновских лучах.

Вплоть до конца 1960-х годов не существовало эффективных инструментов для изучения центральных областей Галактики, поскольку плотные облака космической пыли, закрывающие от наблюдателя галактическое ядро, полностью поглощают идущее из ядра видимое излучение и значительно осложняют работу в радиодиапазоне.

Ситуация коренным образом изменилась благодаря развитию инфракрасной астрономии, для которой космическая пыль практически прозрачна. В 1966 году впервые был обнаруженинфракрасный источник, по положению и размерам соответствовавший радиоисточнику Стрелец-А. В 1968 году обнаружили объект сложной структуры, состоявший из основного инфракрасного источника диаметром 5', компактного объекта внутри него, расширенной фоновой области и нескольких компактных звездообразных источников в непосредственной близости от основного источника.

В середине 1970-х годов начинается исследование динамических характеристик наблюдаемых объектов. В 1976 году исследовали скорость движения газов в области диаметром 0,8 пс вокруг галактического центра. Наблюдения показали симметричное движение газа со скоростями около 75 км/c. По полученным данным была предпринята одна из первых попыток оценить массу объекта, предположительно находящегося в центре галактики. Полученный верхний предел массы оказался равным 4·10⁶ масс солнца.

Дальнейшее увеличение разрешающей способности телескопов позволило выделить в газовом облаке, окружающем центр Галактики, несколько компактных инфракрасных источников. В 1975 году была составлена инфракрасная карта центра Галактики,на которой выделили 20 обособленных источников, получивших название IRS1—IRS20. Четыре из них позиционно совпали с известными по радионаблюдениям компонентами радиоисточника Стрелец-A. Природа выделенных источников долгое время обсуждалась. Один из них идентифицирован как молодая звезда-сверхгигант, несколько других — как молодые гиганты. Один оказался очень плотным (10⁶ масс Солнца на пс³) скоплением звезд-гигантов и карликов. Остальные источники предположительно являлись компактными облаками H II и планетарными туманностями, в некоторых присутствовали звездные компоненты. Продольная скорость отдельных источников лежала в пределах ±260 км/c, диаметр составлял 0.1—0.45 пс, масса 0.1—10 масс Солнца, расстояние от центра Галактики 0,05—1,6 пс. Масса центрального объекта оценивалась как 3·10⁶ масс Солнца, таким же был порядок массы, распределенной в области радиусом 1 пс вокруг центра. Поскольку вероятная ошибка при вычислении масс была того же порядка, допускалась возможность отсутствия центрального тела, при этом распределенная в радиусе 1 пс масса оценивалась как 0,8-1,6·10⁷ масс Солнца.

Рис. Снимки окрестностей радиоисточника Стрелец-А в инфракрасных лучах, сделанные орбитальной обсерваторией «Чандра».

Последующее десятилетие характеризовалось постепенным ростом разрешающей способности оптических приборов и выявлением все более подробной структуры инфракрасных источников. К 1985 году стало ясно, что наиболее вероятным местом нахождения центральной черной дыры является источник, обозначенный как IRS 16. Были обнаружены также два мощных потока ионизированного газа, один из которых вращался по круговой орбите на расстоянии 1,7 пс от центра Галактики, а второй — по параболической на расстоянии 0,5 пс. Масса центрального тела, рассчитанная по скорости этих потоков составила 4,7·10⁶ масс Солнца по первому потоку и 3,5·10⁶ масс Солнца по второму.

Рис. Еще один объект в непосредственной близости к черной дыре. Фотография японских астрономов, 2016.

С появлением инфракрасных детекторов высокого разрешения стало возможным наблюдать в центральных областях галактики отдельные звезды. Изучение их спектральных характеристик показало, что большинство из них относятся к молодым звездам возрастом несколько миллионов лет. Вопреки ранее принятым взглядам, было установлено, что в окрестностях сверхмассивной черной дыры активно идет процесс звездообразования. Полагают, что источником газа для этого процесса являются два плоских аккреционных газовых кольца, обнаруженных в центре Галактики в 1980-х годах. Однако внутренний диаметр этих колец слишком велик, чтобы объяснить процесс звездообразования в непосредственной близости от черной дыры. Звезды, находящиеся в радиусе 1" от чёрной дыры назвали «S-звезды», и некоторые их динамические характеристики противоречат аккреционному сценарию их возникновения. Предполагается, что это горячие ядра красных гигантов, которые образовались в отдаленных районах Галактики, а затем мигрировали в центральную зону, где их внешние оболочки были сорваны приливными силами черной дыры.

К 1996 году были известны более 600 звезд в области диаметром около парсека (25") вокруг радиоисточника Стрелец А*, а для 220 из них были надежно определены радиальные скорости. Оценка массы центрального тела составляла 2-3·10⁶ масс Солнца, радиуса — 0.2 св. лет.

Рис. Рентгеновский снимок черной дыры в центре Галактики и ближайшей к нему звезды S2.

В октябре 2009 года разрешающая способность инфракрасных детекторов достигла 0.0003" (что на расстоянии 8 кпс соответствует 2.5 а. е.). Число звезд в пределах 1 пс от центра Галактики, для которых измерены параметры движения, превысило 6000.Рассчитаны точные орбиты для ближайших к центру Галактики 28 звезд, наиболее интересной среди которых является звезда S2. За время наблюдений (1992—2007), она сделала полный оборот вокруг черной дыры, что позволило с большой точностью оценить параметры ее орбиты. Период обращения S2 составляет 15,8 ± 0,11 лет, большая полуось орбиты 0,123" ± 0,001" (1000 а. е.), эксцентриситет 0,880" ± 0,003", максимальное приближение к центральному телу 0,015" или 120 а. е. Точное измерение параметров орбиты S2, которая оказалась близкой к кеплеровской, позволило с высокой точностью оценить массу центрального тела. По последним оценкам она равна

(4,32 +- 0,06 +- 0,36)*10⁶ солнечных масс,

где ошибка 0.06 вызвана погрешностью измерения параметров орбиты звезды S2, а ошибка 0.36 — погрешностью измерения расстояния от Солнца до центра Галактики.

Наиболее точные современные оценки расстояния до центра галактики дают

8.33 +- 0.35кпс.

Гравитационный радиус черной дыры массой 4·10⁶ масс Солнца составляет примерно 12 млн. км или 0,08 а. е., то есть в 1400 раз меньше, чем ближайшее расстояние, на которое подходила к центральному телу звезда S2. Однако, среди исследователей практически нет сомнений, что центральный объект не является скоплением звезд малой светимости, нейтронных звезд или чёрных дыр малой массы, поскольку, сконцентрированные в таком малом объеме, они неизбежно бы слились за короткое время в единый сверхмассивный объект, который не может быть ничем иным, кроме черной дыры.

В 2015 году астрономы зафиксировали рекордный выброс вещества из Стрелец-А в момент наблюдения за взаимодействием черной дыры и газового облака. Рентгеновский выброс был в 400 раз ярче, чем обычный уровень рентгеновского излучения источника.

Рис. Выброс из черной дыры в 2015 году.

В 2016 году орбитальный телескоп «Чандра» получил снимки окрестностей источника Стрелец-А, которые дают основания считать, что вокруг черной дыры существует гигантское облако раскаленного газа – вторичные выбросы «пережеванной» черной дырой материи.

Рис. Черная дыра – источник Стрелец-А с возможным «джетом» - выбросом релятивистской материи.