Наша чёрная дыра потяжелела

Чёрную дыру в центре Млечного пути взвесили с беспрецедентной точностью

Три десятка звёзд, кружащихся в непосредственной близости от сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, выдали учёным её точную массу. За время наблюдений одно из светил совершило полный оборот вокруг тёмного объекта, а сам он оказался больше, чем прежде считалось.

Испокон веков предмет, который изучает наука астрономия, считался чем-то вечным и неизменным. Конечно, Солнце всходит и садится, Луна меняет свои фазы, а планеты медленно перемещаются среди звёзд. Но сами звёзды находятся так далеко от нас, что заметить их движение на небе не то что за время человеческой жизни, но и на протяжении существования всей человеческой цивилизации шансов нет. Древние и даже средневековые астрономы так и говорили – сфера неподвижных звёзд — а заметить смещение светил друг относительно друга удалось лишь в XIX веке. И это были самые близкие объекты за пределами Солнечной системы.

Заметить вращение звёзд вокруг центра Галактики – дело, кажется, вообще безнадёжное. Солнце обегает по своей орбите вокруг галактического центра за 200 с лишним миллионов лет – в нынешней точке своей орбиты оно последний раз было в самом начале мезозоя.

Поэтому достижение команды астрофизиков из Германии, США, Израиля и Франции поражает:

им удалось «вживую» увидеть, как звёзды обращаются вокруг сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре нашей Галактики.

Учёные проследили орбиты 28 звёзд, а одна из них с момента начала наблюдений в 1992 году даже успела совершить полный оборот вокруг тёмного монстра. Собственно, именно свойства последнего, которого астрономы отождествляют с источником радиоизлучения Стрелец A^* (Sgr A^*), и интересовали авторов работы.

Штефан Гиллессен и Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества имени Макса Планка под Мюнхеном решили использовать звёзды в качестве «засланцев» в окрестности чёрной дыры – зондов, по движению которых можно определить гравитационное поле невидимого объекта. Это ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра, и её мы можем разглядеть наиболее подробно, так что именно на этом примере астрономы надеются понять астрофизические свойства таких объектов и проверить применимость эйнштейновской общей теории относительности в сверхсильных полях тяготения.

Разглядеть центральную часть нашей Галактики не так сложно даже невооружённым взглядом. Если в летнюю ночь проследить Млечный путь до южного горизонта, то на тёмном небе, вдали от городов и посёлков, в нём можно заметить так называемое облако Стрельца – довольно яркое утолщение, пересечённое тянущейся ещё от созвездия Лебедя тёмной полосой межзвёздной пыли. Именно за этой полосой в Стрельце находится точка, вокруг которой вращаются все звёзды, что можно заметить на небе, включая и Солнце.

Однако эта пыль, так удобно указывающая направление на галактический центр, делает невозможными его наблюдения в оптическом диапазоне – из каждого триллиона квантов видимого света, испущенного звёздами в окрестностях чёрной дыры, до Земли доходит лишь один. Поскольку находится чёрная дыра на расстоянии примерно в 27 тысяч световых лет, все объекты за занавесью пыли светят так, будто находятся и вовсе на границе наблюдаемой Вселенной. А увидеть свет единственной звезды из далёкой галактики невозможно даже в самый крупный телескоп, существующий на планете или даже в мечтах астрономов.

К счастью, в ближнем инфракрасном диапазоне спектра пыль практически прозрачна.

Именно здесь сосредоточили свои усилия авторы работы, принятой к публикации в Astrophysical Journal и доступной в архиве электронных препринтов Корнельского университета. Исследования галактического центра Райнхард Генцель начал ещё в 1992 году с помощью 3,6-метрового Телескопа новых технологии (NTT) Европейской южной обсерватории на горе Ла-Силла в Чили. Позднее учёные переместились на другую чилийскую гору – Паранал, где в начале XXI века вступил в строй «Йепун» – последний из четырёх исполинов VLT с диаметром главного зеркала 8,2 метра каждое.

Адаптивная оптика

Характерный масштаб атмосферных неоднородностей давления и температуры и, как следствие, оптических свойств – десятки сантиметров, и каждая из них по-своему изменяет характеристики того участка зеркала телескопа, над которым находится. По сути, зеркало превращается в набор тысячу 30-сантиметровых телескопов, которые смотрят немножко в разные стороны и имеют немного разные фокусные расстояния; к тому же и фокусные расстояния, и направления благодаря турбулентности в атмосфере меняются буквально ежесекундно. Понятно, что в фокусе зеркала, где стоит фотоприёмник, получается настоящая каша.

Чтобы разгрести её, астрономы последние годы пользуются системами так называемой адаптивной оптики. Они в реальном времени отводят небольшую часть света в сторону, анализируют его и выдают команды на небольшое гибкое зеркало, которое, немного меняя свою форму, постоянно корректирует ошибки, которые вносит атмосфера.

Чтобы определить, что является ошибкой, а что нет, анализатору нужен некоторый стандарт, в качестве которого обычно выступает звезда, расположенная рядом с объектом съёмки. Однако если такой звезды нет, или она недостаточно ярка для быстрого анализа, возникает проблема. В последнее время её решают, зажигая в небе «искусственные звёзды».

В небо направляют луч лазера, который возбуждает атомы в верхних слоях атмосферы, заставляя их ярко светиться. На эту «звезду», свет которой также подвергается влиянию турбулентности в земной атмосфере, почти целиком сосредоточенной внизу, и ориентируется адаптивная оптика. Как правило, звезда зажигается часто (несколько раз в секунду), но на очень короткое время импульсным лазером, чтобы её свет не мешался со светом исследуемого объекта.

Однако даже очень большого телескопа (а именно так, Very Large Telescope, раскрывается акроним VLT) недостаточно, чтобы заметить отдельные звёзды в районе галактического центра. Хотя астрономы поднимаются на высокие горы, это до конца не спасает их приборы от влияния атмосферы, неоднородности которой сильно портят изображения. Против такого размывания снимков учёным пришлось применить два приёма. На телескопе «Йепун» они использовали систему современной адаптивной оптики (см. врез), а на NTT работал уходящий сейчас в прошлое метод так называемой спекл-интерферометрии, комбинирующей чёткие кадры из тысяч мгновенных снимков, которые уже после экспозиции смещают и подстраивают друг под друга.

На чётких изображениях, полученных такими сложными способами, положения звёзд удалось измерять с точностью до сотых и тысячных долей угловой секунды – это всё равно, что из Москвы читать надписи на копеечной монете, которую кто-то обронил в Сочи. Помимо положения на небе учёные измеряли и компоненту скорости, с которой звезда приближается или удаляется от нас. Это позволило воссоздать полноценную трёхмерную орбиту большинства из звёзд в центре Галактики.

Ещё в 2002 году была опубликована работа, в которой Генцель и его коллеги сообщили о построении первой такой орбиты. Звезда S2 (литерой S обозначаются соседки Sgr A^*, находящиеся на небе в пределах одной угловой секунды) за десять лет наблюдений успела пролететь в непосредственной близости от центрального объекта, проскользнув от него в скромных по астрономическим меркам 20 миллиардах километров (около 140 а. е., расстояний от Земли до Солнца).

Всего одной орбиты оказалось тогда достаточно, чтобы развеять последние сомнения в существовании в центре нашей Галактики сверхмассивной чёрной дыры и измерить её массу. Результат шестилетней давности – 3,7 миллионов масс Солнца с характерной ошибкой в 1,5 миллиона солнечных масс, или 40%.

В новой работе чётко определённых орбит уже 28 и точность определения массы достигла 1,5%. А знаменитая S2 за это время даже успела завершить свой оборот вокруг центрального объекта.

Новая оценка массы – 4,3 миллиона масс Солнца, её неопределённость – всего 60 тысяч солнечных масс.

Правда, эта величина вычислена для конкретного значения расстояния от Земли до галактического центра – 27,2 тысячи световых лет. Знать этот параметр необходимо, чтобы перевести угловые микросекунды перемещений звёзд на небе в те миллиарды километров, что входят в физические законы, из которых оценивается масса. Но выяснить расстояние до центра Галактики изнутри очень сложно – это всё равно, что измерять дистанцию от своего дома до центра города, сидя в квартире, да ещё и за мутным и пыльным стеклом. Неопределённость галактического параметра – минимум 4%, из-за чего характерная неточность в определении массы центральной чёрной дыры возрастает уже до 10%. Впрочем, если измерить расстояние до центра Млечного пути, удастся точно измерить каким-то независимым способом (например, той же радиоинтерферометрией), определение массы Sgr A^* тут же станет куда более уверенным.

Sgr A^* – против законов физики?

Сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики выглядит так, будто она вращается со скоростью большей, чем разрешено законами физики. На это указывает малый размер светящейся области, выявленный недавно при наблюдении чёрной дыры в радиодиапазоне. Соответствующая работа опубликована на сайте электронных препринтов Корнельского университета.

Косимо Бамби и Кэтрин Фриз из университетов Токио и Мичигана, подсчитали, как будет выглядеть свечение нагретых окрестностей чёрной дыры, если скорость этого объекта превосходит так называемый предел Керра. Как получить такой объект, не ясно, а его свойства с классической точки зрения неприемлемы (при этом возникает «голая» сингулярность, не скрытая за горизонтом событий), однако, рассуждают Бамби и Фриз, эти ограничения могут быть ослаблены в не созданной пока квантовой теории гравитации.

Наблюдаемая форма свечения непосредственных окрестностей чёрной дыры, если в них есть нагретый светящийся газ, крайне нетривиальна. Прежде, чем попасть в глаз наблюдателя, фотон может совершить по несколько оборотов вокруг источника мощнейшей гравитации, потому направление, с которого он приходит, совсем не указывает на его истинный источник. Конкретный вид окрестностей чёрной дыры при этом определяется параметрами объекта, которых у классических чёрных дыр лишь три – масса, момент вращения и заряд.

Ограничившись незаряженными чёрными дырами, японский и американский теоретики подсчитали, как должна выглядеть чёрная дыра, которая крутится быстрее, чем позволяет предел Керра. Как выяснилось, вместо классического искажённого тора, изображение превращается в треугольник, конкретный вид которого зависит как от величины, так и ориентации момента вращения относительно наблюдателя.

Увидеть саму форму в центре нашей Галактики астрономы пока не в состоянии, хотя это будет возможно в обозримом будущем. Важно, что этот источник, в любом случае, – существенно меньше классического скособоченного бублика. Именно такую картину и увидели учёные некоторое время назад. Правда, признают Бамби и Фриз, неточности в определении размера пока слишком велики, чтобы делать какие-то далеко идущие выводы из этих спекуляций.

Трёхмерная модель движения звёзд вокруг галактического центра позволяет выяснить и подробности устройства самого сердца нашей звёздной системы. По данным Гиллессена и Генцеля, большинство ближайших к Sgr A^* звёзд движутся округлым роем без какой-то выделенной ориентации орбит. И лишь шесть массивных и очень горячих светил, расположенных немножко поодаль от чёрной дыры, явно образуют маленькое семейство – все они крутятся примерно в одной и той же плоскости и по часовой стрелке (если глядеть на небо). Движение всех этих звёзд также позволяет заключить, что у сверхмассивной чёрной дыры нет напарниц – по крайней мере, тяжелее нескольких десятков масс Солнца.

По словам Райнхарда Генцеля, теперь,

после 16 лет работы на звёзды в центре Галактики, пришла пора и звёздам поработать на астрономов.

«Теперь мы хотим с ними поиграть – пусть они расскажут нам о свойствах чёрной дыры», – говорит немецкий астроном.

Для этого учёные намерены ещё точнее промерить движение звёзд, для чего собираются использовать уже все четыре телескопа-близнеца VLT на горе Паранал. Когда астрономы сводят их свет вместе, получается что-то вроде единого телескопа размером под сотню метров. Такой прибор, надеются Генцель и его коллеги, позволит разглядеть уже саму «поверхность» чёрной дыры. Вернее, доказать, что, как и положено чёрной дыре, никакой поверхности у неё нет.