ESO/MPE/Marc Schartmann
Наша черная дыра находится в созвездии Стрельца. Там лежит центр вращения Млечного Пути, а в нем, как и положено всякой уважающей себя галактике, расположен объект, похожий на сверхмассивную черную дыру. Астрофизики называют нашу дыру SgrA*, от латинского названия Стрельца — Sagittarius. Хотя расстояние от Земли до нее огромно — 8,5 тысяч парсеков, которые свет преодолевает за 25 тысяч лет, — это единственная черная дыра, устройство которой можно пытаться разглядывать имеющимися приборами, об остальных судят по косвенным признакам. Вот почему SgrA* служит гигантской физической лабораторией, позволяющей изучать мощнейшие энергетические процессы Вселенной. На этом пути есть трудности — центр Галактики забит пылью, и не всякий телескоп способен пробиться сквозь это облако. Однако кое-что астрономы все-таки смогли разглядеть. Об этих результатах и о перспективах исследования нашей черной дыры рассказали сотрудники Института ядерных исследований РАН В. М. Докучаев и Ю. Н. Ерошенко («Успехи физических наук», 2015, 185, 8, 829–843, DOI:10.3367/UFNr.0185.201508c.0829).
Масса и размер
Черные дыры представляются этакими ненасытными чудовищами, постоянно поглощающими окрестные звезды с планетными системами, отчего окружены пылающим аккреционным диском из падающей в них материи. Ничего такого у нашей дыры нет; сейчас SgrA* дремлет — уровень испускаемого ею излучения чрезвычайно низок почти во всех диапазонах. Это затрудняет исследование дыры. К счастью для наблюдателей, заполняющая центр Галактики углеродная пыль прозрачна в инфракрасном диапазоне, что дает возможность рассмотреть ближайшие к дыре звезды. Скорости некоторых из них огромны. Так, наиболее изученная звезда S0-2, большая полуось орбиты которой составляет пять тысячных долей парсека, преодолевает за секунду полторы тысячи километров, облетая центр Галактики за 19 лет (для сравнения — период обращения Солнечной системы составляет 225–250 миллионов лет). Скорость самой быстрой центральной звезды, S0-16, — невообразимые 12 тысяч километров в секунду. Наблюдая за звездами в течение 20 лет, уже в XXI веке установили, что в центральной области диаметром в шесть десятитысячных долей парсека сосредоточена масса в 4,2 миллиона масс Солнца. Такое число звезд никак нельзя разместить в столь малой и слабосветящейся области. Значит, там висит черная дыра соответствующей массы. Согласно уравнению общей теории относительности для вращающейся черной дыры — решению Керра, — ее радиус оказывается примерно в девять раз больше радиуса Солнца или примерно в десять раз меньше, чем орбита Меркурия, или 6,2 млн км.
Линейная скорость вращения границы дыры SgrA* — 54 тыс. км в секунду. Будь дыра всего в шесть раз тяжелее, в силу r=gm/c2 вращение стало бы быстрее света. Интересно, что специальная теория относительности говорит о таких дважды релятивистских объектах?
Разглядывать столь маленький объект на расстоянии в сотни тысяч триллионов километров очень сложно, но можно. Для этого нужно построить радиоинтерферометр с огромной базой. Международный проект такого телескопа разрабатывают с 2007 года; его назвали Телескоп горизонта событий, поскольку именно он должен перевести SgrA* из разряда кандидатов в черные дыры в первый объект такого типа, существование которого доказано. Напомним, что наличие горизонта событий, снаружи которого невозможно увидеть, что находится внутри, — главная особенность, отличающая черную дыру ОТО от других компактных объектов с огромной силой тяжести. Предполагается, что к 2020 году будет создана сетка из 13 радиотелескопов, расположенных на разных континентах, которые станут работать как единый прибор. Он постарается увидеть тень черной дыры, подсвеченной либо фоном далеких источников, либо аккреционным диском, то есть падающим в дыру веществом.
Другая идея — использовать орбитальный телескоп. Им может оказаться отечественная обсерватория Миллиметрон, которую планируется в 2019 году подвесить, как это принято, в точке Лагранжа системы Земля—Солнце. Перемещаясь по орбите вместе с Землей, она сможет дать чрезвычайно высокую точность изображения центра Млечного Пути в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, что позволит опять-таки заметить тень центральной дыры. Если это удастся сделать, можно будет проверить предсказания ОТО для сильных гравитационных полей, выяснить, есть ли место для различных модификаций ОТО и, не исключено, научиться идентифицировать кротовые норы.
ESO/L. Calçada
Сверхмассивная черная дыра в центре галактики, изображенная художником Южной европейской обсерватории (вверху), совсем не похожа на нашу черную дыру, которая пребывает в покое и совершенно не видна на фоне звезд центра Млечного Пути. ESO/L. Calçada
История с образованием
Несмотря на то что наша черная дыра дремлет, время от времени на ней происходят вспышки рентгеновского излучения. Считается, что они возникают при падении в дыру крупных кусков вещества — комет, облаков газа, планет или обломков звезд. В месте падения возникает пятно аккреции, оно-то и дает сигнал. Наблюдая за периодичностью возникновения таких вспышек, астрономы высчитали, что предполагаемый горизонт событий SgrA* делает один оборот за 11,5 минут. Удалось подсчитать и скорость разрушения звезд за счет приливов, вызванных их обращением вокруг дыры, — примерно одна солнечная масса в десять тысяч лет. Расчет показывает, что за время существования Млечного Пути при такой скорости дыра вполне могла набрать свою массу. После разрушения звезды у дыры возникает диск аккреции, существующий 10–15 лет. Падающее вещество столь сильно нагревается, что дыра становится ярче всех звезд галактики, а перпендикулярно плоскости Млечного Пути начинают бить струи вещества, летящего со скоростью, близкой к скорости света. Не исключено, что обнаруженные орбитальной гамма-обсерваторией Ферми два излучающих гамма-лучи пузыря над и под диском Галактики — это накопившиеся остатки подобных струй. Размер этих пузырей — до десяти тысяч парсеков, то есть, будь они расположены в плоскости Галактики, Земля находилась бы в таком пузыре.
В пределах одного парсека от центра Галактики сосредоточено около 10 миллионов звезд, если считать их в массах Солнца. Это чрезвычайно высокая плотность — в 100 миллионов раз больше, чем в районе Солнечной системы. Как правило, это старые звезды, но среди них встречаются и молодые с высокой яркостью. Пока неясно, зародились ли они здесь, в центре, или мигрировали сюда в результате столкновений с другими звездами. Есть подозрение, что центр тяжести центрального скопления немного не совпадает с местом расположения SgrA*. Если это так, то история формирования Млечного Пути требует дополнительной конкретизации.
Согласно базовой теории, спиральные галактики вроде нашей образовывались из единичных больших возмущений плотности, возникших на ранних этапах эволюции Вселенной, а слияния, в отличие от эллиптических галактик, играли меньшую роль. Но все же есть подозрения, что Галактика сформировалась из нескольких протогалактик. Например, в центре Млечного Пути лежит газовое облако диаметром в 3 тысячи парсеков, которое наклонено под углом 22° к плоскости галактики. Такой наклон мог получиться именно вследствие слияний. Несколько потоков звезд и шаровые скопления также могут быть остатками галактик-спутниц.
Чтобы понять, как эти слияния могли сказаться на нашей черной дыре, нужно построить модель ее появления. Таких моделей много. Это и коллапс сверхмассивных звезд и целых звездных скоплений, многократные слияния черных дыр звездной массы, возникших при взрывах звезд догалактической эпохи, это и наличие исходных черных дыр с большими массами как возможных затравок для роста сверхмассивных дыр. Если слияния галактик имели место, то логично предположить, что из-за динамического трения сверхмассивные дыры относило в центр Галактики, где они могли стать материалом для нашей черной дыры. А вот малые черные дыры добраться до центра не могут и оседают в галактическом гало. При обычных условиях из обращающейся вокруг дыры материи на некотором расстоянии формируется пик плотности. Причина понятна — гравитация притягивает те же звезды, но, пройдя критический радиус, они начинают падать в дыру и исчезать. От того как давно прекратились слияния черных дыр, зависят величины пиков плотности как барионной, так и темной материи рядом с нашей черной дырой. Если бы такой пик удалось измерить, история таких слияний стала бы более понятной.
ESO/MPE/Marc Schartmann
ESO/MPE/Marc Schartmann
В 2011 году астрофизики рассчитывали, что облако газа, пройдя в 2013 году рядом с SgrA*, зацепится за нее и начнет падение в черную дыру. Художник Южной европейской обсерватории представил, как это будет, на серии рисунков, показав на них еще и положение центральных звезд Галактики (а, б). Увы, облако прошло мимо (в), лишь слегка изменив свою форму. ESO/A. Eckart
Дыра и темная материя
Вообще, вокруг черной дыры, от горизонта событий до зоны, где влияние ее гравитационного поля становится несущественным, может находиться немало невидимой с Земли материи. Это и мелкие черные дыры, и нейтронные звезды, и просто тусклые звезды, и темная материя. Заметить черные дыры и нейтронные звезды можно при наблюдении падения на центральную черную дыру облака газа. Проходя сквозь слой объектов с мощной гравитацией, газ станет падать и на них, давая сильное свечение. В 2011 году астрономы едва не дождались такого события: в центр Галактики со скоростью в несколько тысяч километров в секунду устремилось облако газа под названием G2. Оно даже стало растягиваться приливными силами, но, увы, не разрушилось и в 2013 году благополучно миновало опасное сближение. Однако надежды, что в следующий раз облако все-таки упадет, породив ожидаемые эффекты, остаются.
Измерить распределение масс всей невидимой материи вблизи центра Галактики можно по прецессии орбит быстрых центральных звезд, и не исключено, что в течение нескольких лет это будет сделано. Оценки, впрочем, уже имеются: масса этой материи — 3–4% массы SgrA*, то 100–200 тысяч масс Солнца. Астрофизики же хотят выяснить, какая часть этой массы приходится на темную материю, а какая — на несветящуюся барионную. Есть мнение, что это удастся сделать, наблюдая за гамма-излучением, которое должно испускаться при аннигиляции некоторых кандидатов в частицы темной материи. Список таких кандидатов чрезвычайно велик и включает весьма экзотические объекты. Некоторые перечисляют в своей статье В. И. Докучаев и Ю. Н. Ерошенко: первичные черные дыры, замкнутые киральные космические струны, или вортоны, нетопологические солитоны в виде бозонных или фермионных Q-шаров и Q-звезд, массивные гравитоны, ультралегкие скалярные поля, скалярные звезды из темной энергии в виде комплексного скалярного поля, многомерные частицы Калуцы—Клейна. Наиболее же разработаны теории происхождения темной материи из аксионов, массивных стерильных нейтрино, зеркальных частиц и легчайших стабильных суперсимметричных нейтралино. В общем, выбрать физикам есть из чего.
Так вот, в данных нескольких гамма-обсерваторий действительно были обнаружены намеки на повышение интенсивности гамма-излучения над расчетными значениями. Телескоп Комптон-ЭГРЕТ нашел избыток гамма-квантов с энергией 50–100 ГэВ. Его можно приписать аннигиляции нейтралино с массами порядка 10 ГэВ. Обсерватория Ферми эти данные не подтвердила, но заметила избыток квантов с энергией 1–3 ГэВ, что соответствует нейтралино массой 35 ГэВ. Орбитальный телескоп ИНТЕГРАЛ нашел линию 51 кэВ от аннигиляции позитронов-электронов в центре Галактики. Возможно, эти позитроны в достаточно большом количестве, чтобы породить наблюдаемый эффект, взялись из распада более массивных частиц темной материи. Еще одну загадочную линию 130 ГэВ обсерватория Ферми обнаружила в гамма-спектрах как центра Млечного Пути, так и некоторых других галактик. Источник же этой линии найти не удалось — стало быть, и ее можно приписать к проявлениям темной материи. В целом, обнаружение сигнала от темной материи центра Галактики, где она концентрируется в окрестностях нашей черной дыры, позволит приоткрыть тайну этой загадочной субстанции.
Таким образом, черная дыра Галактики предоставляет интереснейшую информацию для самых разных областей физики — от термодинамики и физики элементарных частиц до общей теории относительности. И астрофизики твердо намерены в ближайшее десятилетие воспользоваться продукцией этой природной лаборатории.
С. М. Комаров,
кандидат физико-математических наук
Источник Элементы
