Категории: Космос

Секреты странных звезд, окружающих нашу сверхмассивную черную дыру

Лайнуть/Поделиться

В центре Млечного Пути дуют сильные ветры. Астрономы обнаружили, что звезды вращаются вокруг ядра галактики со скоростью 4800 километров в секунду. При такой скорости Земля совершит оборот вокруг Солнца всего за три дня. Что скрывается в ядре галактики, что может разгонять звезды до таких скоростей?

Астрономы рассмотрели разные возможности. Есть ли в центре галактики плотное скопление сверхплотных звездных остатков (нейтронных звезд)? Или, может быть, огромный шар субатомных частиц нейтрино?

Но эти и другие более экзотические идеи были исключены весной 2002 года, когда звезда под названием S2 пролетела вниз по своей чрезвычайно эксцентричной орбите и прошла в пределах 17 световых часов от центра Млечного Пути – это ничтожное расстояние в галактических терминах. Для сравнения, за 17 часов свет проходит расстояние в три раза больше, чем между Плутоном и Солнцем.

Только один объект достаточно компактен и имеет достаточную массу, чтобы разогнать звезды до такой высокой скорости: сверхмассивная черная дыра. Астрономы подозревали, что черная дыра должна находиться в ядре Млечного Пути, а построение орбиты S2 и других звезд резко укрепило доказательства.

Подробнее: Вокруг сверхмассивной черной дыры Млечного Пути обнаружена самая быстрая звезда

Наша центральная черная дыра мала по меркам того, что таится в сердцах других галактик. Наблюдения за гигантской эллиптической галактикой M87 предполагают наличие черной дыры в 6 миллиардов раз массивнее Солнца. В галактике Андромеды может находиться черная дыра массой 140 миллионов солнечных.

Для сравнения: черная дыра “Стрелец A” в центре нашей галактики ничтожна мала – она ​​содержит около 4 миллионов солнечных масс. Но ее близость означает, что мы можем изучить ее подробно, в том числе нанести на карту орбиты десятков звезд, кружащих вокруг нее, как пчелы. Черные дыры звездной массы, обнаруженные в некоторых двойных звездных системах, слишком малы, чтобы их можно было подробно наблюдать в телескопы в ближайшее время. Итак, лучший шанс увидеть, что происходит в причудливом районе вокруг черной дыры, – это изучить ту, что находится в сердце Млечного Пути.

Яркие звезды окружают сверхмассивную черную дыру в центре Млечного Пути. NASA / CXC / M.Weiss

Внутреннее царство

Галактический центр находится примерно в 26 000 световых лет от Земли в направлении созвездия Стрельца. Это область неба, где яркие звезды смешиваются с темными облаками газа и пыли. Настоящий центр слишком затемнен, чтобы его можно было разглядеть, когда астрономы наблюдают его в видимом свете. Все, что мы знаем о центре, исходит из данных, собранных в инфракрасном и радиоволновом диапазонах. Эти длины волн могут проходить сквозь пыль и газ и достигать земных телескопов.

Астрономам давно известно, что самый сильный источник радиоэнергии на небе после Солнца находится в центре галактики. Эта широкая центральная область называется Стрелец A, часто сокращенно Sgr A.

Sgr A содержит десятки отдельных радиоисточников. Один из них называется Стрелец А *, что произносится как «Стрелец А звезда». Он находится в самом центре галактики и совпадает с положением сверхмассивной черной дыры. Все остальное вращается по часовой стрелке (с точки зрения Земли) вокруг этой точки, что делает ее динамическим центром галактики. И это очень оживленный район.

Оболочка из пыли, окружающая Sgr A * на расстоянии нескольких световых лет, вращается против часовой стрелки – противоположно общему вращению галактики. Внутри оболочки лежит небольшая спиральная структура с тремя рукавами, которая вращается в одном направлении.

Каждая рука представляет собой поток горячего газа, зажженный ближайшими звездами. Газ течет к центру спирали, где находится Sgr A *. Радиоизображения, сделанные с разницей в несколько лет, показали, что спираль вращается.

Звездная гоночная трасса

В 2002 году группа астрономов во главе с Райнхардом Гензелем из Института внеземной физики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, опубликовала первую научную статью, в которой сообщалось о близком столкновении S2 со Sgr A * в 17 световых часах. Используя Очень большой телескоп (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, группа Гензеля зафиксировала S2, когда она с фантастической скоростью огибала Sgr A *. Адаптивная оптика VLT снижает атмосферное размытие, позволяя астрономам более точно определять положение S2.

В течение предыдущего десятилетия астрономы строили орбиту S2, в основном с помощью 3,6-метрового телескопа New Technology Telescope ESO, также в Чили. Орбитальные позиции позволили исследователям рассчитать период вращения S2 вокруг Sgr A * – около 16 лет. Орбита довольно эксцентричная. Звезда приближается к Sgr A * в пределах 17 световых часов, но затем уносится наружу на расстояние около 10 световых дней в самой дальней точке. Для создания такой орбиты требуется компактная черная дыра с массой около 4 миллионов солнечных.

Гензель и его коллеги были не единственными, кто отслеживал S2 и множество других звезд, летающих вокруг Sgr A *. Группа Галактического центра астронома Андреа Гез в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе изучила S2 и его движения с помощью 10-метрового телескопа Кека на Гавайях. В 2000 году команда сообщила о свидетельствах того, что траектория S2 изогнута – ранние свидетельства того, что S2 вращается вокруг чего-то в центре галактики. Команда Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе позже обнаружила близкое орбитальное расстояние S2 до Sgr A * примерно в то же время, что и Гензель и его коллеги.

Стрелец A * в центре Млечного Пути находится в созвездии Стрельца и к востоку (слева) от Скорпиона. Этот регион богат звездными скоплениями и туманностями. Это идеальное место для изучения в бинокль под темным небом.

Звезды тайны

Обширные наблюдения, проведенные в последние годы Гензелем, Гезом и другими, рисуют захватывающую картину бурной активности вокруг Sgr A *. Одним из самых сложных наблюдений, которые астрономы выполнили над звездами в центре галактики, является спектроскопия, или разделение звездного света на составляющие его длины волн. Спектр многое говорит о составе, возрасте и массе звезды.

Чтобы собрать достаточно света от далекой звезды, дабы получить хороший спектр, необходимо проследить цель через узкую щель в течение многих часов. Любое небольшое смещение положения щели загрязняет спектр светом от других источников. Спектроскопия особенно сложна в плотном звездном поле вокруг Sgr A *, где плотность звезд более чем в миллион раз выше, чем в нашем звездном окружении.

В 2003 году Гез получил спектр S2 с помощью телескопа Кека, используя его систему адаптивной оптики. Щель, натренированная на звезде, имела ширину всего 0,04 дюйма (1 миллиметр). Удерживать эту узкую щель на S2 было все равно, что навести прицел на объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии 1600 км.

Спектр показал, что S2 – звезда-тяжеловес, масса которой примерно в 15 раз больше массы Солнца. Такие большие звезды быстро исчерпывают запасы водорода – в данном случае менее чем за 10 миллионов лет. Это означает, что S2 должна быть моложе 10 миллионов лет. Кроме того, у звезды очень горячая атмосфера, как и у других звезд, вращающихся близко к Sgr A *. Это также указывает на относительно молодой возраст.

Короче говоря, эти звезды образовались от 3 до 6 миллионов лет назад. Это вызывает серьезную проблему: почему такие молодые звезды вращаются так близко к Sgr A *, области сильных магнитных полей и сильных гравитационных сил, которые обычно препятствуют звездообразованию?

Звездный маскарад

Одно из возможных объяснений состоит в том, что S2 и ее спутники могут быть старыми звездами, маскирующимися под молодых – «феномен, который мы довольно хорошо понимаем в Лос-Анджелесе», – как однажды пошутил Гез.

В этом случае то, что кажется молодыми звездами, на самом деле является ядром старых звезд, которые столкнулись и слились. Столкновения могли сорвать прохладные внешние слои звезд, обнажив их горячие внутренние части. В результате получится скопление массивных звезд, которые кажутся намного моложе, чем они есть на самом деле.

Радиоастрономия обнаруживает скрытые особенности центра Млечного Пути, в том числе остатки взрывов сверхновых и звезд, образующихся в огромных облаках газа и пыли. WM Goss / C. Lang / VLA / NRAO

Но в этом сценарии есть проблема. Столкновение, достаточно сильное, чтобы отделить внешние слои, также должно уничтожить обе звезды и оставить только след горячего газа. И поэтому астрономы предложили альтернативы. Например, возможно, звезды образовались где-то еще и мигрировали внутрь под действием гравитационного притяжения черной дыры.

Проблема с этим объяснением заключается в том, что наиболее активное звездообразование в Млечном Пути происходит далеко от ядра, в его спиральных рукавах. Звездам потребуется слишком много времени, чтобы переместиться так близко к центру, как S2.

Плотные пылевые облака действительно лежат ближе к Sgr A *, чем спиральные рукава, с точностью до нескольких десятков световых лет. Вероятно, внутри них образуются звезды. Вполне возможно, что скопление молодых звезд может спуститься по спирали в пределах нескольких световых лет от центра – и сделать это менее чем за 10 миллионов лет.

Проблема здесь в том, что, чтобы приблизиться к черной дыре, звезды должны были бы терять угловой момент – величину, которая удерживает планеты на безопасных орбитах вокруг звезд вместо того, чтобы «падать» прямо на них.

Один из способов потерять угловой момент – столкнуться с другими звездами. Но трудно представить, как звезды могли выдержать этот процесс и мигрировать в пределах световых часов от Sgr A *, не будучи разрушенными. Кроме того, процесс должен оставить за собой звездный след к Sgr A * на большом расстоянии, чего астрономы еще не заметили. Вместо этого оболочка звезд, вращающихся близко к Sgr A *, имеет определенный внешний край.

Рождение звезды на диске

Другая гипотеза состоит в том, что звезды центрального скопления Sgr A * сформировались во вращающемся диске из газа и пыли, непосредственно окружающем черную дыру. Фактически, некоторые наблюдения предполагают, что большинство звезд в центральном скоплении вращается примерно в одной плоскости – расположение, напоминающее основные планеты нашей Солнечной системы.

Однако не все астрономы согласны с тем, что центральное скопление имеет дискообразную структуру. Чтобы порождать звезды, диск должен быть достаточно плотным, чтобы противостоять приливным силам черной дыры.

Также возможно, что звезды-компаньоны Sgr A * сформировались в пылевых облаках, вращающихся с высокой скоростью в пределах нескольких световых лет от центра галактики. Столкновения между облаками могли вызвать ударные волны, вызывающие звездообразование. В результате столкновений между облаками они и новые звезды, заключенные в них, могли бы набрать достаточно импульса, чтобы обосноваться на орбитах вокруг черной дыры. Сильное магнитное поле галактического ядра постепенно смело бы оставшуюся межзвездную пыль и газ от черной дыры. Что останется, так это диск молодых звезд на близкой орбите к Sgr A *.

Этот сценарий объясняет многое из того, что астрономы видят в ядре нашей галактики, но не все. Астроном Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Брэд Хансен считает, что у него есть жизнеспособная альтернатива: горячие молодые звезды теперь вращаются вокруг центральной черной дыры Млечного Пути, потому что вторая меньшая черная дыра увлекла их туда.

Процесс начинается в тесноте молодого звездного скопления, в десятках световых лет от центра галактики. Столкновения между большими звездами в ядре скопления образуют черную дыру среднего размера в диапазоне от 1000 до 10000 солнечных масс. Постепенно черная дыра будет перемещаться к центру галактики, увлекая за собой свой груз «звезд-заложников». Хансен утверждает, что это единственный способ быстро переместить массивные молодые звезды в центр галактики из внешнего места рождения звезд.

Десятки молодых звезд на высоких скоростях вращаются вокруг центральной черной дыры галактики. Строя положения звезд в течение многих лет, астрономы вычисляли их орбиты и оценивали массу черной дыры, которую они окружают

Редакция

Опубликовала
Редакция
Метки: звезда

Недавние публикации

Определены наиболее подверженные пьянству профессии

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно… Читать далее

26/02/2021

Тропическая бабочка, которая питается слезами птиц

Бразильский биолог стал свидетелем редкого поведения тропических бабочек Gorgone macarea, рассказывается в статье, опубликованной в Ecology. Эти ночные насекомые… Читать далее

20/02/2021

Стоматологи могут сказать, занимались ли вы недавно оральным сексом или нет

Недавно пользователь TikTok, cianmcbrien, опубликовал видео с подписью «Только что узнал, что дантист может увидеть, делал ли кто-то [минет] или… Читать далее

20/02/2021

Почему орбита МКС находится именно на расстоянии около 400 км от земли?

Высота орбиты МКС постоянно меняется в диапазоне от 340 до 417 км над уровнем моря,… Читать далее

19/02/2021

Как связаны между собой разделы физики

Доминик Воллиман, физик и популяризатор науки, создал карту разделов физики, науки, которая разделена условно на… Читать далее

17/02/2021

Может ли мозг противостоять мнению большинства?

Ученые НИУ ВШЭ узнали, что несовпадение с окружающими во мнении оставляет «след» в активности мозга,… Читать далее

14/02/2021