Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик

Автор: Кулькова Светлана 12.05.2022 18:45

Интересное

Как показали наблюдения, Вселенная создает черные дыры широкого диапазона масс и размеров. Не ограничивается только умирающими звездами-гигантами, а рождает монстров в десятки миллиардов раз массивнее. Один из таких монстров расположен в ядре нашей Галактики...

В центре Млечного пути находится так называемый яркий радиоисточник Стрелец А. Долгое время для ученых оставалось полнейшей загадкой, какое грандиозное событие генерирует этот необычайно мощный радиопоток, вращающийся с огромной скоростью.

Поскольку центр нашей Галактики закрыт плотными облаками пыли, разглядеть источник сигнала обычными телескопами затруднительно. Но это стало возможным благодаря телескопам, воспринимающим инфракрасные волны и рентгеновское излучение, которое свободно проходит сквозь заслонявшие обзор пылевые облака.

12 мая 2022 года проект Event Horizon Telescope (EHT) опубликовал снимок ядра галактики Млечный путь, где находится сверхмассивная черная дыра Sagittarius A* (изображение слева). Этот снимок стал вторым в истории изображением сверхмассивной черной дыры. Первое изображение было получено 3 года назад и показало нам силуэт сверхмассивной черной дыры в галактике М87.

В ЦЕНТРЕ ГАЛАКТИКИ МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Благодаря многолетним тщательным наблюдениям астрономы теперь увидели, что в ядре нашей Галактики расположена сверхмассивная черная дыра. Ее масса составляет около 4,3 миллионов солнечных масс, а сфера горизонта событий имеет диаметр 25,4 миллионов километров. Галактическую черную дыру окружает гигантский аккреционный диск, состоящий из раскаленного газа и вращающийся со ошеломительной скоростью (до 30 % скорости света вблизи горизонта событий).

Изображение окрестностей галактического центра Млечного Пути (Sgr A* - положение черной дыры)

Изображение: Chandra (NASA) 
 

Вблизи этой сверхмассивной чёрной дыры наблюдаются отдельные звёзды. Благодаря высокой разрешающей способности современных телескопов были рассчитаны точные орбиты ближайших к центру Галактики 28 звёзд. Наиболее интересной среди которых является звезда S2. За время наблюдений (1992—2021), она сделала почти два полных оборота вокруг чёрной дыры, что позволило с большой точностью оценить параметры её орбиты. Период обращения вокруг центра Галактики этой звезды составляет 15 лет.

Траектории звёзд, ближайших к центру Галактики по данным наблюдений 1995—2003 годов

В спокойном состоянии объект Стрелец А* излучает в радио, рентгеновском и гамма-диапазонах, но в моменты активности яркость вспышек излучения, которые случаются ежедневно в течение нескольких часов, повышается в 10—100 раз!

ВЫБРОСЫ ПЛАЗМЫ И ПУЗЫРИ ФЕРМИ

У активных галактик наблюдаются струи плазмы, вырывающиеся из их ядер. Причиной появления таких струй часто является взаимодействие магнитных полей с аккреционным диском вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Как уже известно, притянутая черной дырой материя кружится по спирали вокруг нее, сильно ускоряясь у горизонта событий (границы черной дыры), и часть ее вырывается в виде двух мощных струй (джетов), которые устремляются наружу с полюсов черной дыры почти со скоростью света прочь от нее.

Анатомия черной дыры

Недавние исследования также показали, что в прошлом из ядра нашей Галактики был мощный выброс потока материи в обе стороны от плоскости Млечного пути. Вообще наша черная дыра «спокойнее» многих других, которые активно поглощают окружающее вещество в галактиках.

Внутренняя структура центра активной галактики

Изображение Astrogalaxy.ru 

В ноябре 2010 года космический гамма-телескоп Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) обнаружил две крупные структуры, расположенных над и под центром нашей Галактики. Они располагаются перпендикулярно плоскости Млечного Пути и простираются на 50 тысяч световых лет (при диаметре самой Галактики в 100 тысяч световых лет). Структура, которая видна только в рентгеновском диапазоне длин волн, имеет форму песочных часов и занимает половину видимого неба — от созвездия Девы до созвездия Журавля.

Пузыри «Ферми»
Розовым показаны области гамма-излучения, синим — области рентгеновского излучения

Изображение NASA's Goddard Space Flight Center 

Подобные структуры были обнаружены и в других галактиках, например, у галактики Андромеды (М31). Ее размеры тоже около 21-25 тысяч световых, а яркость даже выше, благодаря наличию более массивной черной дыры в центре Андромеды.

Скорее всего, около 1-2 миллионов лет назад в центре Млечного Пути происходили какие-то взрывные процессы - предположительно, из-за слишком активного падения вещества на черную дыру. Возможно, пару миллионов лет назад наша центральная черная дыра пыталась проглотить что-то очень массивное (возможно, звездное скопление или плотное облако межзвездной пыли), что привело к образованию этих пузырей.

Многолетние наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл показали, что большинство галактик предположительно имеют сверхмассивные черные дыры в центре (на это указывали выбросы-выхлопы и интенсивное излучение из ядер галактик), и астрономы занялись поиском способов запечатлеть эти невидимые гипотетические объекты - для этого понадобилось скоординировать работу радиотелескопов по всей планете в единую глобальную сеть.

ПЕРВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

В 2019 году ученым удалось собрать первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров (53 миллиона световых лет). Галактика М87 расположена у верхней границы созвездия Девы, чуть ниже созвездия Волосы Вероник, и находится вблизи центра Скопления Девы и является самой крупной галактикой и массивной в нем. Сверхмассивная черная дыра в ее центре имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца. 

Источник: NASA/CXC/Villanova University/J. Neilsen, Event Horizon Telescope Collaboration, chandra.harvard.edu

Для получения этого снимка астрономы объединили в глобальную сеть восемь телескопов со станциями интерферометрии (VLBI) по всей Земле. Радиотелескопы находятся, в частности, во Франции, Чили, на острове Гавайи, Южном полюсе. Проект EHT (Event Horizon Telescope) стартовал в апреле 2017 года, когда астрономы начали следить за черными дырами в галактике М87 и в нашей галактике Sgr A* (Стрелец А*).

Проект EHT (Event Horizon Telescope)

Наблюдения проекта позволили построить подробные карты области вокруг черной дыры, с угловым разрешением 20 угловых микросекунд. Ученые обрабатывали полученную с помощью EHT информацию на суперкомпьютере в обсерватории Хайстак (Массачусетский технологический институт, США) и Институте радиоастрономии имени Макса Планка в Бонне (Германия) на протяжении двух лет, прежде чем продемонстрировали первую в истории фотографию черной дыры.

Изображение: eso.org 

ПЕРВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ В ЦЕНТРЕ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ

С тех пор усилия ученых были направлены на получения такого же подробного изображения черной дыры Sgr A* (Стрелец А*) в центре Млечного Пути. При съемке черной дыры Стрелец A* было получено шесть тысяч терабайт данных, анализ и обработка которых заняли несколько лет. В проекте EHT задействовали уже 11 телескопов, данные обрабатывают 300 научных сотрудников из 80 институтов по всему миру. И вот сегодня, 12 мая 2022 года, на пресс-конференции из Южной Европейской Обсерватории (ESO) было представлено первое изображение сверхмассивной черной дыры в нашей Галактике.

Получить эту фотографию оказалось намного сложнее, чем для галактики М87, поскольку раскаленный газ, вращающийся вокруг черной дыры Млечного пути, совершает полный оборот всего за пару минут, из-за чего структурные детали объекта меняются очень быстро, и в итоге изображение при длительной выдержке получается сильно размытым. Ученым пришлось в помощью различных вычислительных методов усреднить тысячи визуализаций по данным наблюдений с разных обсерваторий, задействованных в проекте «Event Horizon Telescope». Была проведена просто колоссальная работа, чтобы показать всему миру этот казалось бы "размытый бублик", но для научного мира это поистине сенсационное событие!

Изображение силуэта сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, полученное в радиодиапазоне при помощи сети радиотелескопов

Изображение: Event Horizon Telescope (EHT)

Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации. Полученный снимок черной дыры Стрелец A*, расположенной в центре Млечного Пути на расстоянии примерно 27 тысяч световых лет от Земли и превосходящей по массе Солнце в 4 миллиона раз - это первое визуальное свидетельство присутствия черной дыры в центре нашей Галактики.

В дальнейшем перед учеными стоит задача выяснить, почему одни черные дыры являются центрами сверхсильных источников излучения, как например квазары, в то время как другие, в том числе наш Стрелец A*, довольно спокойны. Стоит отметить, что помимо обычных галактик во Вселенной есть так называемые квазары, являющихся одними из самых ярких в видимой Вселенной. Один квазар светит, как несколько сотен миллиардов звезд одной Галактики. Несмотря на огромные расстояния, на которых наблюдают квазары, выглядят они как обычные звезды, расположенные намного ближе, поэтому их назвали квази-звездными объектами, сокращенно квазарами. В центрах этих сверхярких галактик также находятся ненасытные сверхмассивные черные дыры, при этом они выделяют невероятное количество энергии в космос и уничтожают всё до чего могут дотянуться...

О квазарах в следующем материале... (в разработке)