«Йепун» снял дыру за обедом

Астрономы изучили вспышку центральной чёрной дыры Галактики сразу в двух диапазонах

L.Calзada/ESO
Астрономы увидели, как сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики обедает разрушенными ею же звёздами. Какой-то кусок угощения породил вспышку, наблюдение за которой с помощью сразу двух телескопов – оптического «Йепун» и субмиллиметрового APEX — позволило выяснить её физическую природу. Точнее, узнать параметры простейшей модели, которая её описывает – не факт, что правильно.

В центре любой уважающей себя галактики находится сверхмассивная чёрная дыра – объект в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца, вокруг которого крутят хоровод звёзды и облака газа. Как они здесь появились, до конца не ясно, однако большинство астрономов предполагают, что эти чёрные дыры выросли вместе с самими галактиками.

Зародышами их были трупы первых звёзд, появившихся во Вселенной через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва. Затем чёрные дыры росли, поглощая окружающий их плотный газ, непонятную тёмную материю и неосторожные звёзды, разорванные гравитационным монстром, когда забрались слишком глубоко в сферу его влияния. Постепенно самые крупные чёрные дыры галактики сваливались в их центр за счёт своеобразного, так называемого «динамического» трения – эффекта торможения, вызванного взаимодействием с далёкими звёздами.

По современным представлениям, крупные современные галактики выросли за счёт слияния более мелких предшественников. Вместе с ними росли и их центральные чёрные дыры – центральная дыра маленькой галактики, попадая в галактику побольше, быстро сваливается в её центр за счёт того же динамического трения, где образует двойную систему из чёрных дыр, которая рано или поздно сольётся.

На этот сценарий указывает множество косвенных признаков. Наверное, самый главный из них – это удивительная корреляция между свойствами звёзд в центрах галактик и свойствами центральной чёрной дыры. Например, очень хорошо соответствуют друг другу масса чёрной дыры (а других свойств у чёрных дыр раз два и обчёлся) и средняя скорость, с которой «роятся» звёзды в центрах галактик – даже если её измерять на расстояниях, где влияние центральной чёрной дыры почти незаметно.

Тем не менее прямых доказательств, что именно так оно всё и было, нет, и астрономы постоянно стремятся изучить как можно больше чёрных дыр.

Один из самых любимых объектов их внимания – сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей собственной Галактики, Млечного пути.

Хотя по меркам сверхмассивных дыр, она не так велика – примерно 3,5–4 миллиона масс Солнца, зато находится она ближе других монстров – всего в 25 тысячах световых лет от нас, в направлении созвездия Стрельца. Первыми этот объект около полувека назад обнаружили радиоастрономы, и данное ими название — Стрелец A*, Sgr A* — так и прижилось.

Наш монстр также растёт за счёт поглощения окружающего вещества, притом растёт сравнительно медленно. Несложно оценить, что если за миллиарды лет на звёздно-газовой диете он вырос всего до 4 миллионов масс Солнца, звёзды в сферу его влияния попадаются не часто – раз в несколько тысяч, а то и десятков тысяч лет. Однако звезду чёрная дыра не проглатывает целиком, а разрывает на части и долго высасывает газ из образующегося вокруг неё так называемого аккреционного диска. К тому же в центрах галактик и без звёзд достаточно газа, который тоже может питать диск.

Поскольку сами чёрные дыры наблюдать очень трудно – они потому и чёрные, что не светятся, то всё обилие выводов об их свойствах астрономам приходится делать, изучая свет аккреционных дисков и его вариации. И как ни удивительно, они умеют делать правильные выводы. Помогают в этом хорошее понимание физики газа и плазмы, математическое моделирование происходящих в газовом диске процессов и использование информации во всех доступных наблюдениям участках электромагнитного спектра.

Именно поэтому астрономы из Европы и США начали программу координированных наблюдений объекта Sgr A* с помощью инфракрасной и субмиллиметровой аппаратуры двух крупных телескопов, установленных в Чили,

и прошлым летом поймали яркую вспышку от объекта сразу в обоих диапазонах.

Наблюдения в ближней инфракрасной области вёл «Йепун» – четвёртый телескоп квартета «Очень больших телескопов» (VLT) на горе Паранал, имя которого на языке чилийских индейцев означает «Венера». Субмиллиметровые наблюдения вела аппаратура радиотелескопа APEX, смонтированного в сухой пустыне Атакама.

В ночь на 3 июня 2008 года учёные проводили плановые исследования Sgr A* с помощью VLT, когда заметили, что его блеск начался резко увеличиваться. По словам аспиранта германского Кёльнского университета Гюнтера Витцеля, сидевшего в это время на башне «Йепуна», он тут же позвонил своим коллегам на радиотелескопе. Болометры субмиллиметрового диапазона APEX'а участники проекта держали «под парами», позволяя другим учёным исследовать интересующие их объекты с помощью других приборов, однако как только пришёл сигнал с VLT, тем пришлось посторониться.

В итоге учёные прописали кривые блеска вспышки на длинах волн 2,2, 3,8 и 870 микрон с разрешением всего в несколько минут, впервые добившись одновременного и настолько качественного покрытия события этими двумя инструментами. Наблюдения на «Йепуне» продолжались до утра – почти шесть часов, в течение которых за первой яркой инфракрасной вспышкой последовали ещё три вспышки поскромнее. Похожие вспышки учёные зафиксировали и в субмиллиметровом диапазоне.

И хотя о структуре радиовспышек учёные говорят менее уверенно,

им удалось измерить задержку между вспышками в ИК- и радиодиапазонах, которая составила примерно полтора часа.

Этих данных оказалось достаточно, чтобы смоделировать подробности события, произошедшего в центре Галактики, утверждают астрономы, работа которых принята к публикации в европейском журнале Astronomy & Astrophysics.

По мнению учёных под руководством Адриана Экарта, руководившего проектом, вспышка, которую мы увидели, – это синхротронное свечение облака электронного газа, расширяющегося вместе с вмороженным в него магнитным полем. Бешено вращаясь вдоль линий магнитной индукции, электроны излучают свет, характерная энергия которого падает со временем, так как при расширении облака падает и магнитное поле, и плотность электронов. Именно поэтому мы видим вспышку сначала в ближнем инфракрасном диапазоне и лишь потом – в субмиллиметровых волнах, энергия которых в сотни раз меньше.

Модель излучения, которую построили Экарт и его коллеги, достаточно простая, если не сказать примитивная. Предполагается, что расширение облака происходит равномерно во все стороны, а никакого обмена энергией с внешним миром не происходит – несмотря на то, что энергию, излучённую при вспышке, зафиксировали даже земные телескопы.

Тем не менее она на удивление хорошо описывает наблюдательные данные.

Учёные полагают, что причина тому – в прозрачности облака, или, как говорят астрономы, низкой оптической толще излучающего вещества, позволяющей пренебречь этими эффектами. Если бы нам удалось непосредственно наблюдать оптически тонкое облако, то мы бы увидели не плотный молочный туман, в который упираются фары автомобиля, а скорее тонкий сигаретный дым, подсвеченный фонариком.



Возможный внешний вид ярко светящегося облачка электронов, расширяющегося при свом вращении вокруг чрной дыры. На самом деле, рисунок, созданный художником Европейской южной обсерватории для иллюстрации описанной работы, во-первых, неправильный, а во-вторых, вряд ли может иметь к ней отношение. Он неправильный потому, что диск выглядит плоским до самой чрной дыры – «пустоты» в его центре, в то время как сильное гравитационное поле приводит к так называемому сверхсильному гравитационному линзированию, существенно искажающему вид диска в окрестностях чрной дыры. Он не может иметь отношение к этой работе, потому что случись вспышка так близко к чрной дыре, облако бы крутилось вокруг не с периодом в несколько минут и со скоростью в десятки процентов скорости света, что неминуемо отразилось бы на кривой е блеска. Тем не менее, рисунок неплохо передат понятие оптически тонкого газа. // L.Calзada/ESO

Возможный внешний вид ярко светящегося облачка электронов, расширяющегося при свом вращении вокруг чрной дыры. На самом деле, рисунок, созданный художником Европейской южной обсерватории для иллюстрации описанной работы, во-первых, неправильный, а во-вторых, вряд ли может иметь к ней отношение. Он неправильный потому, что диск выглядит плоским до самой чрной дыры – «пустоты» в его центре, в то время как сильное гравитационное поле приводит к так называемому сверхсильному гравитационному линзированию, существенно искажающему вид диска в окрестностях чрной дыры. Он не может иметь отношение к этой работе, потому что случись вспышка так близко к чрной дыре, облако бы крутилось вокруг не с периодом в несколько минут и со скоростью в десятки процентов скорости света, что неминуемо отразилось бы на кривой е блеска. Тем не менее, рисунок неплохо передат понятие оптически тонкого газа. // L.Calзada/ESO

Хотя происхождение такого облачка совсем не ясно, характерное время задержки позволило определить его физические параметры. Учёные полагают, что его исходный размер составлял порядка 10 миллионов километров – это размер самой сверхмассивной чёрной дыры, а расширялось оно со скоростью примерно 1 500 км/с или 5 миллионов км/ч. Хотя она и может показаться большой, на деле это в сотню раз меньше характерных скоростей вращения вещества в непосредственной окрестности чёрной дыры, достигающей примерно половины скорости света.

А вот где именно произошла вспышка, сказать сложно.

Давшее её расширяющееся облако могло находиться достаточно далеко от чёрной дыры, на внешних границах аккреционного диска. В этом случае неравномерное вращение диска (внутренние области крутятся быстрее внешних) могло быть одной из причин расширения облачка. Впрочем, в этом случае предположение о равномерном во все стороны его расползании кажется странным.

Не исключено и то, что облачко возникло в непосредственной близости к чёрной дыре, пишут учёные. Впрочем, в этом случае весь их анализ нуждается в пересмотре, так как запутанные сильнейшим гравитационным полем световые лучи всегда показывают совсем не ту картину, что имеет место в действительности.