Знание-сила, 2009 № 06 (984)

Вести из центра Галактики

Игорь Харичев

Международному коллективу ученых из Германии, США, Израиля и Франции удалось не только подтвердить, что в центре нашей Галактики находится гигантская черная дыра, но и с высокой точностью вычислить ее массу. В течение многих лет астрофизики отслеживали перемещения 28 звезд вокруг сверхмассивной черной дыры, которую отождествляют с источником радиоизлучения Стрелец A* (Sagittarius A*) и которая находится от нас на расстоянии примерно в 27 тысяч световых лет.

Глава группы ученых, профессор Рейнхард Генцель из Института внеземной физики имени Макса Планка (Германия), начал исследования галактического центра еще в 1992 году. Наблюдения велись в Европейской южной обсерватории, расположенной в чилийской пустыне Атакама. Первоначально Генцель использовал 3,6-метровый Телескоп новых технологий (NTT) на горе Ла-Силла. В последние годы с вводом в строй самого большого и современного оптического телескопа VLT (Very Large Telescope — Очень большой телескоп) на горе Паранал, имеющего четыре зеркала по 8,2 метра, наблюдения были перенесены на него.

По современным представлениям, сверхмассивные черные дыры составляют ядро каждой галактики во Вселенной. Несколько лет назад было объявлено, что гигантская черная дыра есть и в центре нашей Галактики — Млечном Пути. Ученые считают, что благодаря черным дырам и возникли все галактические системы, поскольку гравитационное притяжение черных дыр создает благоприятные условия для образования звезд. Именно таким образом могло появиться первое поколение звезд и галактик.

Межзвездная пыль, расположенная между нами и галактическим центром, не позволяет наблюдать расположенные близко от него звезды в оптическом диапазоне: из каждого триллиона квантов видимого света, который испускают эти звезды, до Земли доходит лишь один. Однако в ближнем инфракрасном диапазоне спектра пыль становится практически прозрачной.

Полученные с помощью телескопов NTT и VLT изображения позволили измерить положения звезд с точно стью до сотых и тысячных долей угловой секунды. Кроме положения на небе, астрономы смогли измерить и скорость, с которой звезда приближается или удаляется от нас. Благодаря этому удалось воссоздать полноценные трехмерные орбиты исследуемых звезд.

В 2002 году Генцель и его коллеги сообщили о построении первой такой орбиты. Звезда S2 (литерой S обозначаются соседки Sagittarius A*, находящиеся на небе в пределах одной угловой секунды) за десять лет наблюдений пролетела в непосредственной близости от галактического центра.

Тогда исследователи впервые пришли к заключению о существовании в центре нашей Галактики сверхмассивной черной дыры и предприняли первую попытку определить ее массу. Результат 2002 года — 3,7 миллиона масс Солнца. Ошибка в измерениях на тот момент составила 40 %, или 1,5 миллиона солнечных масс.

В 2008 году были получены новые данные, опирающиеся уже на 28 определенных орбит. (А знаменитая S2 за время с начала наблюдений в 1992 году успела завершить полный оборот вокруг центрального объекта.) По утверждению профессора Генцеля, орбиты этих звезд позволяют с высокой уверенностью говорить, что расположенная в центре концентрация массы является черной дырой. Кроме того, новые данные позволили существенно повысить точность определения массы — до 1,5 %. По последним оценкам, масса черной дыры составляет 4,3 миллиона масс Солнца.

Трехмерная модель движения звезд вокруг галактического центра позволяет выяснить и подробности устройства центральной части нашей Галактики. Большинство ближайших к Sagittarius A* звезд движутся округлым роем без какой-то выделенной ориентации орбит. И лишь шесть массивных и очень горячих звезд, расположенных несколько дальше от черной дыры, образуют маленькое семейство — все они вращаются примерно в одной и той же плоскости и по часовой стрелке. Движение всех этих звезд, по мнению исследователей, говорит в пользу того, что у сверхмассивной черной дыры нет напарниц — по крайней мере, тяжелее нескольких десятков масс Солнца.

Впрочем, этому выводу противоречат данные, полученные недавно группой американских ученых. Им удалось установить, что, вероятно, вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути вращается черная дыра средней величины.

Один из нерешенных вопросов астрофизики — объяснение наличия вблизи от галактического центра, на расстоянии менее 0,5 светового года, большого количества молодых звезд, возраст которых менее 10 миллионов лет, что совсем мало, по астрономическим меркам. Дело в том, что гравитационное воздействие сверхмассивной черной дыры на близких — и только! — к ней расстояниях, в пределах 3–4 световых лет от нее, не должно позволять образовываться звездным «зародышам» — плотным облакам газа, из которых потом рождаются звезды. Если это так, наблюдаемые молодые звезды образовались где-то еще и только потом попали в окрестность сверхмассивной черной дыры. Другим феноменом является почти хаотическая ориентация орбит упомянутых молодых звезд относительно плоскости эклиптики Галактики.

Брэд Хансен из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Милош Милошавлевич из Калифорнийского технологического института в Пасадене предложили в качестве наиболее вероятного объяснения следующее: эти молодые звезды формировались на «безопасном» расстоянии от сверхмассивной черной дыры — в пяти световых годах или даже дальше, но звездный кластер на их беду содержал еще одну черную дыру меньшей по сравнению с центральной массой (от 1000 до 10 000 солнечных масс), и поскольку эта черная дыра была притянута центральной черной дырой, она и «притащила» звезды за собой. При этом, как подчеркивает Хансен, гравитация второй черной дыры средней массы связала окружающие ее звезды вместе, в один кластер. Это и объясняет тот факт, что скопление звезд остается скоплением, несмотря на то, что оно уже попало в разрушительное поле тяготения сверхмассивной черной дыры.

Кластер из семи звезд IRS 13, вблизи которого может находиться черная дыра

Компьютерное моделирование позволило установить, что все явления действительно хорошо объясняются наличием черной дыры средней массы, которая вращается вокруг Стрельца A*. Масса объекта должна составлять около 1500 солнечных. Проблема лишь в том, что существование черных дыр средней массы пока что не доказано.

Любопытно отметить, что предположение о существовании второй черной дыры в центре Галактики сделали еще в 2004 году астрономы из парижского Института астрофизики. Долгое время они занимались изучением ярчайшей области в центре Галактики, известной под названием IRS 13. Благодаря наблюдениям в инфракрасной части спектра, проведенным в обсерватории Gemini на горе Мауна-Кеа (штат Гавайи, США), удалось выяснить, что это кластер из семи звезд, а не цельный объект. В дальнейшем, прибавив данные с орбитальных телескопов Hubble и Chandra, ученые при шли к заключению, что этот кластер вращается вокруг ранее неизвестного объекта — черной дыры IRS 13E, масса которой в 1300 раз превышает массу нашего Солнца и которая двигается вокруг Sagittarius A* со скоростью около 280 километров в секунду.

Руководитель группы французских астрофизиков Жан-Пьер Мелляр заявил тогда, что впервые в пределах нашей Галактики удалось обнаружить черную дыру средних размеров. Кроме того, по словам Мелляра, кластер IRS 13 испускает потоки рентгеновского излучения, что также является косвенным признаком наличия черной дыры где-то поблизости. Однако далеко не все ученые разделили тогда уверенность французских исследователей.

Центр нашей Галактики, как и других галактик, хранит еще много тайн. Астрономы и астрофизики делают все, чтобы раскрыть их. Современные приборы и технологии помогают им в этом. Но пройдет немало времени, прежде чем исследователи смогут заявить: никаких новых вестей из центра Галактики больше не будет. Да и наступит ли такая пора?..