Спирт за компанию к чёрной дыре

Вокруг чёрной дыры в центре Млечного пути формируются яркие новые звёзды

Уже очень скоро сверхмассивную чёрную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звёзд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг неё означают, что в нём уже формируются массивные звёзды. Раньше астрономы думали, что чёрная дыра образованию звёзд может помешать.

В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные чёрные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс – куда больше тех, что возникают в конце эволюции звёзд. Судя по всему, эти объекты зародились ещё в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра.

Когда-то давно, когда небольшие предшественники нынешних звёздных систем лишь появились на свет, постепенно собираясь во всё более и более крупные структуры, обилие неизрасходованного газа и частые встречи одной протогалактики с другой заставляли чёрные дыры, точнее, их окружение, ярко светиться. Падая в захлёбывающуюся от обилия материала чёрную дыру, вещество разогревалось до огромных температур и излучало свет всевозможных длин волн, а излишки этого вещества дыры даже изрыгивали в окружающее пространство в виде ярких, длинных и безумно быстрых струй – джетов.

Явления квазаров, радиогалактик и прочих проявлений активности галактического ядра были широко распространены и по-настоящему расцвечивали Вселенную, увидеть прошлое которой благодаря конечности скорости распространения света можно, глядя на самые далёкие объекты. Однако к настоящему времени праздник закончился, и в наших окрестностях чёрные дыры, хотя и продолжают скрываться в центрах галактик, живут по большей части незаметной жизнью, лишь изредка вспыхивая ярким светом при встрече с крупным облаком газа или захвате и последующем разрушении той или иной звезды.

Активные ядра галактик

эпизоды интенсивного энерговыделения из ядра галактики, которые могут принимать форму квазара, блазара, радиогалактики, сейфертовского источника и так далее.

По современным представлениям, в центре каждой или почти каждой крупной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой от миллионов до миллиардов масс Солнца. Считается, что явление активности галактического ядра связано именно с выделением энергии в окрестностях чёрной дыры.

Когда облако межзвёздного газа подходит слишком близко к чёрной дыре, последняя может его захватить и позднее – поглотить. Тем не менее, для падения на чёрную дыру вещество должно потерять значительную часть своего момента вращения, что делать эффективнее всего в аккреционном диске, слои которого трутся друг о друга, нагреваясь при этом до огромных температур. Именно этот газ и светится в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от радиоволн до гамма-излучения.

Помимо теплового излучения, часть светимости возникает за счёт движения быстрых заряженных частиц (в основном электронов) в магнитных полях, усиленных сжатием в окрестностях чёрной дыры. Эти частицы не только излучают сами, но и рассеивают излучение горячего газа, повышая или понижая при помощи эффекта Комптона его частоту. В итоге формируется довольно сложный наблюдаемый спектр. Кроме того, по-видимому, вносят свой вклад в излучение и перезамыкания магнитных силовых линий в хаотических магнитных полях в окрестностях чёрной дыры.

Ещё одна компонента активности – джеты, или струи вещества, с огромными (зачастую – околосветовыми) скоростями, выбрасываемые из окрестностей чёрной дыры. Детально механизм их ускорения до сих пор неизвестен, однако предполагается, что важную роль также играют магнитные поля, коллимирующие излишки вещества, которые чёрные дыра оказывается не в силах поглотить, в тонкие струи, перпендикулярные аккреционному диску. Подходящие для радиоизлучения условия в джете могут достигаться достаточно далеко от ядра галактики – в таких случаях образуются так называемые «радиоуши» активных галактик.

Согласно объединяющей модели активности галактического ядра, всё многообразие наблюдаемых проявления обеспечивается по большей части ориентацией аккреционного диска и джета относительно наблюдателя, а также темпами аккреции. Например, если плотный газопылевой тор вокруг аккреционного диска закрывает его от нас, мы видим лишь два «уха» радиогалактики, а если джет смотрит точно на нас – блазар, то есть некое подобие квазара с очень сильными переменностью, яркостью и поляризацией.

Не исключение и наша Галактика, Млечный путь. В последнее десятилетие XX века стало понятно, что чёрная дыра есть и у нас. Радиоисточник, связанный с ней, называют Стрелец A^*, или Sgr A^* (Sagittarius, от латинского названия созвездия Стрелец). Масса в 3 с лишним миллиона масс Солнца может впечатлить неискушённого читателя, однако на специалистов по галактикам большого впечатления не произведёт – им известны объекты с массами в сотни и тысячи раз больше. К тому же, Sgr A^* – это типичная «скрытая» чёрная дыра, проявить себя которой не даёт отсутствие вещества, которое она могла бы засосать и нагреть.

Тем не менее местоположение этого объекта – самое что ни на есть центральное. Если сравнить нашу Галактику поперечником 100 тысяч световых лет с Москвой, а её динамический центр – с вершиной флагштока президентского штандарта над куполом Сенатского дворца за кремлёвской стеной, то чёрная дыра поместилась бы в пределах сечения флагштока. При этом Солнце со всеми своими планетами и самой Москвой оказалось бы где-то в районе Московского университета.

Наивно было бы ожидать, что вокруг чёрной дыры совсем не будет никакого вещества, и оно там действительно есть – плотность звёздного населения к центру Галактики увеличивается. Однако в окрестностях центральной чёрной дыры она даже выше, чем та, что следует из продолжения общих законов к центру.

Более того, в центре Млечного пути подозрительно много молодых, ярких звёзд и массивных звёздных скоплений, происхождение которых – большая загадка.

Звёзды рождаются в массивных плотных облаках молекулярного водорода, насыщенных пылью, так как только твёрдые частички и молекулы могут эффективно излучать энергию, возникающую при постепенном сжатии вещества, что позволяет ему охлаждаться и сжиматься дальше. Горячее вещество само по себе не сжимается, а напротив, норовит разлететься в разные стороны, и для образования звёзд необходим эффективный механизм охлаждения. Такой имеется только в плотных молекулярных облаках.

Одно такое облако – так называемое околоядерное молекулярное кольцо – существует и в окрестностях Sgr A^*. Это образование, открытое ещё 25 лет назад, простирается на расстояние от 6 до 25 световых лет от чёрной дыры – в рамках нашей аналогии оно оказалось бы размером примерно с купол Сенатского дворца. Вероятно, это облако является далеко не первым и не последним в истории галактического центра: молекулярные облака, во множестве путешествующие по Галактике, время от времени должны попадать в окрестности чёрной дыры и удерживаться там её гравитацией.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 2,
    "pic_fsize": "45973",
    "picsrc": "Околоядерное молекулярное кольцо в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики. Красным показано радиоизлучение в линии синильной кислоты, зелёным – радиоизлучение в континууме. В выносах показаны спектры отдельных областей, в которых заметна сильная мазерная линия метанола. // Yousef-Zadeh et al., 2008",
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2782599_i_2"
}

Казалось бы, именно они и могут стать источником звёздного изобилия в самом сердце Млечного пути. Тем не менее расчёты показывали, что звёзды в нём рождаться не могут.

Причина в приливных силах, с которыми чёрная дыра действует на зарождающиеся молодые звёзды в облаке. Край зародыша, который смотрит на дыру, она притягивает чуть сильнее, чем противоположный, поскольку сила тяготения ослабевает с расстоянием; в итоге приливная сила пытается разорвать зарождающуюся звезду. В принципе, приливной эффект здесь в несколько миллиардов раз слабее, чем тот, что на воды земных океанов оказывают Солнце и Луна. Однако детальное моделирование показывало, что даже этого напряжения тонко сбалансированный механизм звёздообразования не может перенести. Добавляют свой вклад в приливы и обилие массивных звёзд, уже находящихся в окрестностях чёрной дыры.

Похоже, теоретикам от астрономии придётся что-то подправить в своих расчётах. Как выяснилось, процесс звёздообразования в околоядерном молекулярном кольце не только возможен, но уже идёт.

Через несколько сотен тысяч или миллионов лет – совсем небольшой по астрономическим меркам интервал времени – вокруг чёрной дыры засверкает яркий венец из массивных, ярких и очень молодых звёзд.

Группа американских и австралийских астрономов под руководством Фархада Юсефа-Заде из американского Северо-западного университета нашла следы мазерного излучения молекул метилового спирта в нескольких уплотнениях этого кольца. Это верный признак самых первых этапов образования звёзд. Работа учёных будет вскоре опубликована в Astrophysical Journal Letters.

Мазеры – это такие же квантовые генераторы когерентного излучения, что и лазеры, только производят они не видимый свет, а радиоволны. Собственно, первые «лазеры», сделанные в СССР Басовым и Прохоровым, а в США – Таунсом с коллегами, были на самом деле мазерами. В них атомы и молекулы, которые каким-то внешним воздействием были переведены в возбуждённое состояние, синхронно, друг за другом, переходят в основное состояние, испуская идентичные кванты электромагнитного излучения и побуждая (индуцируя) своих соседей делать то же самое, а главное – в унисон. Благодаря такому созвучию амплитуды волн складываются не случайно, а все в одной фазе, и результирующий сигнал получается очень сильным.

Рождение звёзд

По современным представлениям, формирование звезды, начинается с медленного сжатия наиболее плотных областей облаков молекулярного водорода с примесью других газов и пыли. Пыли в этой смеси немного, но именно она позволяет газу эффективно охлаждаться, играя ключевую роль в звездообразовании: образовываться из горячего газа звёзды не могут.

В процессе сжатия облако, как правило, фрагментирует на отдельные части, каждая из которых позднее родит звезду или кратную звёздную систему. При сжатии каждого фрагмента выделяется потенциальная гравитационная энергия, которая частично излучается, а частично идёт на нагрев формирующегося в центре облака ядра. Молодые предзвёздные объекты на этом этапе называют протозвёздами. Иногда его разделяют на две стадии – стадию протозвезды и стадию звезды типа T Тельца.

Наличие углового момента вращения относительно центра сжатия приводит к формированию протозвёздного диска, за счёт которого могут значительно увеличиться темпы аккреции вещества на центральный объект. В какой-то момент температура и давление в центре становятся достаточными для запуска ядерной реакции синтеза гелия из дейтерия – тяжёлого изотопа водорода, легко вступающего в ядерную реакцию (именно из дейтерия состоит «горючее» водородных бомб). Резкое увеличение выделения энергии значительно замедляет сжатие центрального объекта.

Позднее температура и плотность в центре оказываются достаточными для запуска реакции синтеза гелия непосредственно из лёгкого изотопа водорода – протия, который составляет основную долю самого распространённого газа; весь дейтерий к тому моменту в центре уже израсходован. Запуск ядерной реакции превращения основного изотопа водорода в гелий знаменует рождение новой звезды.

Внешним воздействием, переводящим молекулы в возбуждённое состояние, в астрономических условиях являются столкновения между ними. Интенсивность столкновений зависит от плотности и температуры, между которыми должен поддерживаться чёткий баланс, что и позволяет по мазерным линиям очень точно диагностировать физическое состояние вещества. Мазерное излучение – надёжное свидетельство высокой плотности, которая возникает лишь в окрестностях уже формирующихся звёзд. Поэтому учёные уверенно заявляют, что звёзды здесь уже стремительно образуются. Внимательно изучив спектры, учёные нашли несколько сгустков в облаке, где скоро появятся яркие светила. При этом новорожденные звёзды будут достаточно массивными и ярко осветят окрестности чёрной дыры.

Более того, внимательное изучение линий синильной кислоты, также присутствующей в составе молекулярного облака и очень удобной для радиоастрономических наблюдений, показало присутствие достаточно сильного звёздного ветра. Ветер, по мнению Юсефа-Заде и его коллег, выдувают массивные звёзды-младенцы, ещё не очистившие своим излучением того кокона, в котором образовались всего несколько десятков тысяч лет назад. Пройдёт ещё несколько десятков тысячелетий, и эти коконы будут прорваны.

Возможно, ещё через некоторое время часть сброшенного вещества доберётся и до чёрной дыры, позволив ей снова ярко засиять, как в далёком прошлом. Впрочем, даже наши потомки никакого впечатляющего небесного зрелища не увидят – центр Галактики надёжно скрыт от человеческих глаз облаками пыли. Фейерверк разглядят только радио и инфракрасные телескопы, которые у последователей современных астрономов, хочется надеяться, будут ещё совершеннее.