"...было ощущение, что мы видим как черная дыра дышит"

Астрономы Калифорнийского университета неожиданно стали свидетелями бурных процессов в горячей плазме, увлекаемой притяжением массивной черной дырой в центре Млечного Пути, которая удалена от нас на 26 000 световых лет. Это первое наблюдение горячей плазмы около объекта Sgr A* в инфракрасном диапазоне было выполнено на 10-метровом телескопе Кек II, расположенном на Гавайях.

Рис. 1. Вершина Мауна Кеа (4205 м, Гавайи) после декабрьского снегопада. Две из нескольких крошечных точек на вершине горы и есть пара телескопов Кек I и Кек II. С этой равнины до них более 20 км. Надо сказать, что и штаб квартира обсерватории располагается не на вершине, а гораздо ниже. Многие астрономы, наблюдающие на Кеках и других тамошних телескопах, находят, что постоянное пребывание на этой высоте не способствует продуктивной работе их мозга. Возможно, так отражается на организме кислородное голодание, но как бы там ни было, большинство из них признается, что на высотах ближе к 3000 метров и ниже, где они обычно и проводят основную часть своего времени, их голова чувствует себя гораздо свежее, а "протекание бурных процессов в горячей плазме серого вещества мозга" ощутимо ускоряется.

Плазма - горячая ионизированная газообразная среда - как известно, является четвертым состоянием материи, которое разительно отличается от трех привычных нам на Земле (твердые тела, жидкости и газы). Тем не менее, астрономы считают, что именно из нее состоит 99% видимой нам Вселенной, включая Солнечную систему, звезды и галактики (темная материя и темная энергия пока не в счет; о них мы пока почти ничего не знаем - прим. перев.).

Рассказывает руководитель исследовательской группы, профессор Калифорнийского университета Андреа Гес: "Все предыдущие наблюдения в радиодиапазоне и в рентгене казалось бы указывали на то, что плазма уходит в центральную черную дыру Галактики ровным, спокойным потоком, который нарушается всплесками лишь изредка, от силы 2% времени. Наши наблюдения в инфракрасной области спектра обнаружили совсем иную картину: процесс питания этой черной дыры скорее напоминает бурный водопад, в котором почти постоянно происходят энергетические всплески, вызываемые возмущением газа".

Рис. 2. Радиоизображение центральной части Млечного Пути на длине волны 3,6 см. Яркий точечный источник в центре - объект Sgr A*, динамический центр нашей звездной системы, в котором находится сверхмассивная черная дыра. В радиодиапазоне объект не показывает сильной переменности, а его излучение носит нетепловой (синхротронный) характер. Мини-спираль вокруг него - обычное тепловое излучение горячего ионизированного газа, участвующего в упорядоченном движении вокруг Sgr A*.

Рис. 3. Рентгеновское изображение центральной части Млечного Пути, полученное космической обсерваторией Чандра. Крошечная точка в центре совпадает с местоположением радиоисточника Sgr A*, однако застать его в рентгене в таком ярком состоянии удается не часто. Снимок сделан как раз в момент мощной рентгеновской вспышки 26-27 октября 2000 года. Основную часть времени в этом диапазоне он пребывает спокойным.

"Я думаю, это настоящий прорыв, - добавляет Марк Моррис, профессор физики и астрономии, работающий с Гес. - Это огромный скачок, а не просто шаг вперед. Именно инфракрасные лучи оказались лучшим зондом там, где речь идет о питании черной дыры. В этом диапазоне можно видеть все подробности этого действа".

"Одна из величайших загадок в понимании центрального объекта Млечного Пути заключается в том, что он излучает гораздо меньше света по сравнению с черными дырами в центрах других галактик, - продолжает Гес. - Теперь мы открыли новое окно, через которое можно непрерывно наблюдать за материей, падающей на центральную черную дыру Галактики".

Рис. 4. В возрасте 4 лет Андреа Гес вовсю смотрела на небо в телескоп, а в 33 года уже не сомневалась, что в центре Млечного Пути находится черная дыра с массой более чем в 3 миллиона солнечных.

Два предшествующих года Гес и ее коллеги наблюдали объект с использованием адаптивной оптики 10-метровых телескопов имени Кека, получая снимки высокого разрешения в полосе 3,8 мкм - между самым коротковолновым ИК-излучением, где доминируют звезды, и средним, или тепловым, ИК-излучением, где доминирует пыль.

"Этому предшествовала длинная история неудачных попыток обнаружить этот загадочный объект в инфракрасном диапазоне, - комментирует Гес. - В более коротковолновой области от этой полосы (1-2 мкм) трудности возникали из-за того, что в центре Галактики слишком много звезд. В тепловых ИК-лучах (>8 мкм) их не было, зато все портила нагретая пыль, которой там более чем достаточно. Наши нынешние наблюдения оказались успешными по той простой причине, что мы выбрали полосу как раз между этими двумя проблематичными диапазонами и использовали всю мощь адаптивной оптики. Такие наблюдения стали возможны лишь год назад.

Сомнений в достоверности наших наблюдений у нас нет. Прямо на том месте, где находится черная дыра, мы видим яркий источник с такими свойствами, которых нет у звезд вокруг. Он гораздо ярче в более длинных волнах, чем звезды, и к тому же он неподвижен, тогда как последние в центре Галактики движутся на огромных скоростях. Самое главное не в том, что мы зафиксировали излучение плазмы вокруг него, а в том, что оно оказалось в высшей степени непостоянным, причем его яркость меняется на временной шкале недель, дней и даже в пределах одного часа! Было ощущение, что мы видим как черная дыра дышит.

Рис. 5. Динамика Sgr A* в инфракрасном диапазоне (3,8 мкм).
Всего за неделю с 10 по 17 июня 2003 года блеск объекта упал с 12,2^m до 13,8^m, что означает ослабление в четыре раза. При этом максимальная скорость угасания наблюдалась в конце: за последние 40 минут объект ослаб в два раза! На центральном рисунке указана яркая звезда S0-2, которая в 2002 году почти слилась на небе с объектом Sgr A*, пройдя от него на расстоянии всего 120 а.е. В 2003 году она снова разделилась с ним, уйдя вверх на расстояние более 0,05" и позволив Гес наблюдать плазму около черной дыры без наложения. Несмотря на то, что именно эта звезда сделала сенсацию 2002 года о "близком пролете к центральной черной дыре Галактики", рекордсменом, согласно Гес, остается звезда S0-16, которая в 2000 году пронеслась около черной дыры на еще меньшем расстоянии - 90 а.е. На снимке 16 июня она едва проявилась.

Черными дырами обычно называют коллапсировавшие звезды, которые настолько сжались и уплотнились, что гравитационное притяжение не позволяет никакому телу уйти с их поверхности, даже свету. Поэтому вы не можете увидеть непосредственно саму черную дыру. Однако ее присутствие можно обнаружить, к примеру, по воздействию на окружающие звезды, которое вполне наблюдаемо. Там, в созвездии Стрельца, куда проектируется центр нашей Галактики Млечный Путь, находится черная дыра с массой более трех миллионов масс Солнца".

С 1995 года для изучения галактического центра Андреа Гес использовала 10-метровый телескоп Кек I, расположенный на вершине Мауна Кеа (Гавайи). Она наблюдала за движением 200 ближайших к нему звезд. В первые годы для достижения высокого разрешения она использовала технику, называемую ею инфракрасной спекл интерферометрией, а последние несколько лет - адаптивную оптику, которая позволила ей видеть детали ее более четко.

"Обсерватория имени Кека - одно из лучших мест на планете для подобных исследований", - уверяет Андреа. По ее словам, астрономы знают положение этой черной дыры настолько же хорошо, "насколько хорошо житель Лос-Анджелеса знает местоположение своего друга из Бостона, если он может указать его с точностью до размеров ладони".

Летними вечерами в средних широтах галактический центр поднимается сравнительно невысоко над южным горизонтом. Находящаяся там черная дыра появилась на свет миллиарды лет тому назад, возможно в результате слияния в один сверхтяжелый объект множества обыкновенных черных дыр, оставшихся после коллапса очень массивных звезд.

Десятилетиями излучение этого объекта было доступно астрономам только в радиодиапазоне, в котором не было заметно особой переменности. Несколько лет назад стало возможным зафиксировать его излучение в рентгене. Теперь наступило время освоения диапазона между этими двумя "крайностями", в котором можно было бы детально изучить поведение плазмы.

На этом пути астрономы хотят понять, что заставляет газ светиться по мере его приближения и погружения в черную дыру. Андреа Гес и ее коллеги планируют и дальше наблюдать за объектом в различных участках ближнего ИК-диапазона. Между прочим, среди ее коллег - профессор физики и астрономии Эрик Беклин, тот самый, который в 1968 году вместе с Нэйгебауэром зафиксировал мощное излучение в ближнем ИК-диапазоне, исходящее из центра Млечного Пути.

перевод:
А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

1). Sgr A* (Стрелец А*). Понять номенклатуру, связанную с центральным объектом Млечного Пути, проще всего с помощью иллюстраций. Начнем со Стрельца А (без звездочки). На левом снимке в правом нижнем углу яркий, похожий на кокон объект и есть радиоисточник Стрелец А, который, вообще говоря, был первым радиоисточником, обнаруженным на небе. Это сделал Карл Янски в 1930-е годы. В середине XX века, по мере открытия новых объектов в радиодиапазоне, астрономам казалось, что их будет немного. Поэтому для их обозначения к названию созвездия просто добавляли букву латинского алфавита. Очень скоро стало ясно, что букв просто-напросто не хватит. И все же самые знаменитые "звезды" радионеба свои имена сохраняют до сих пор.

Рис. 6. Снимок центральной области Млечного Пути в радиодиапазоне. Помимо яркого радиоисточника Стрелец A Восточный и удивительных волокон Радиодуги галактического центра, здесь обозначено местоположение двух молодых звездных скоплений: Arches (A) и Quintuplet (Q). Сами скопления на снимках не видны, однако местоположение второго из них выдает крошечная капля - знаменитая туманность вокруг одной из ярчайших звезд Галактики с необычным именем Пистолет.

Более детальное изучение источника Стрелец А обнаружило его сложную структуру. Самый внешний кокон, имеющий нетепловую природу, теперь называют Стрелец А Восточный. Считается, что это излучение расширяющейся оболочки сверхновой, в полости которой теперь, к своему несчастью, оказалась центральная черная дыра. В западной части этой оболочки мы видим тройную мини-спираль, называемую Стрелец А Западный. Ее излучение носит тепловой характер и возникает в нагревающихся газовых потоках, устремляющихся к центру тяготения. И наконец совсем рядом с центром этой мини-спирали, прямо на галактическом экваторе, находится крошечный яркий источник синхротронного радиоизлучения. Это и есть радиообъект Стрелец А* (Sgr A*) (вернуться...)

Рис. 7. Более детальная анатомия объекта Стрелец А показывает, что он состоит из трех вложенных радиоисточников: нетеплового источника радиоизлучения Стрелец А Восточный, теплового источника радиоизлучения Стрелец А Западный и самого загадочного центрального объекта Стрелец А* (Sgr A*), радиоизлучение которого снова носит нетепловую (синхротронную) природу. На этом снимке он едва заметен, но хорошо виден как белая точка на радиоснимке в начале статьи.

2). Синхротронное излучение (другое название: магнитотормозное излучение). Излучение релятивистских электронов, движущихся по спиралям, навивающимся на линии магнитного поля. Излучение вызвано радиальным ускорением релятивистских электронов под действием силы Лоренца. Аналогичную природу имеет основная часть излучения Крабовидной туманности. Когда вы смотрите на нее в телескоп, не забывайте, что львиная масса фотонов, попадающих вам в глаз, излучается частицами, летящими вам навстречу почти со скоростью с. Трудно поверить, но в собственной системе отсчета такой частицы (ультрарелятивистского электрона), ей кажется, что она излучает фотоны гораздо более низкой энергии (например, тепловые ИК-фотоны), однако наблюдатель на Земле видит их в окуляр как гораздо более энергичные фотоны видимого диапазона.

Обычно, когда говорят о доплер-эффекте в приложении к Космосу, всегда вспоминают космологическое красное смещение. Синхротронное излучение - ярчайший пример того, как околосветовые скорости, наоборот, приводят к реально наблюдаемому гигантскому фиолетовому смещению. О том, почему это излучение сжимается в узкие конусы с осью, касающейся винтовой траектории электрона, будет сказано чуть ниже. (вернуться...)

Еще раз бросим ретроспективный взгляд на историю наблюдений центрального объекта Галактики.

Радио диапазон

Изначально и уже очень давно Sgr A* наблюдался в радиодиапазоне. Здесь он более менее постоянен в яркости, совпадает с динамическим центром Галактики и перемещается на небе относительно далеких квазаров лишь постольку, поскольку Солнце движется вокруг него по галактической орбите (М.Рейд, 1999).

Рентген

Систематические наблюдения объекта в рентгене стали доступны астрономам лишь в последние годы. Рентгеновский источник, совпадающий на небе с радиоисточником Sgr A*, проявляет существенно вспышечную природу. Астрономы разделяют его излучение на две компоненты:

• слабую стабильную компоненту, мощность которой, согласно наблюдениям, постоянна в пределах 10% вот уже 4 года и которая приходит из области с диаметром порядка 1,4 угловой секунды;

• точечную переменную компоненту, не разрешенную пространственно. Последние наблюдения источника рентгеновскими орбитальными обсерваториями Чандра и ХММ-Ньютон свидетельствуют, что приблизительно раз в день эта компонента испытывает быстрые и довольно сильные всплески яркости, продолжающиеся обычно от десятков минут до нескольких часов. Мощность излучения при этом возрастает в 5 и более раз (рекордный всплеск с увеличением рентгеновской светимости в 45 раз был зафиксирован 26-27 октября 2000 года).

Согласно этим наблюдениям, рентгеновские вспышки около объекта Sgr A* возникают все-таки ощутимо чаще, чем может показаться из слов Андреа Гес, когда она говорит о "всплесках, нарушающих спокойное падение вещества на черную дыру лишь в 2% времени".

Во время таких вспышек происходят очень быстрые колебания яркости, например, пятикратное ослабление блеска за 10 минут. Высокая динамичность рентгеновского источника заставляет астрономов ограничить размеры излучающей области сферой с радиусом земной орбиты. Выходит, за это излучение отвечают самые близкие окрестности черной дыры, возможно, внутренние части аккреционного диска.

Рис. 8. Если источник сильно меняет свою яркость за 10 минут, то радиус области, в котором это излучение возникает (R), не должен превосходить расстояние, проходимое светом за 10 минут. В противном случае, ослабление яркости точки А будет "маскироваться" светом, идущим от точек В и С, еще как минимум на протяжении R/с > 10 мин. Лишь после этого фотоны, покинувшие B и C в момент начала угасания источника, наконец достигнут глаза наблюдателя. Это простое соображение позволяет оценивать размеры многих космических объектов, опираясь только на скорость колебаний их блеска. Чуть больше 8 минут требуется лучу света, чтобы пробежать расстояние от Солнца до Земли, - отсюда радиус земной орбиты называется в качестве оценки размеров области вокруг объекта Sgr A*, излучающей в момент рентгеновской вспышки.

ИК-лучи

Видимая область спектрального диапазона для изучения центральных областей Галактики недоступна по очевидной причине - ввиду огромного количества пыли на луче зрения. Остаются инфракрасные лучи, которые давно уже считались очень перспективными в этой области, и примыкающее к ним субмиллиметровое излучение.

В 1968 году Беклин и Нейгебауэр зафиксировали инфракрасное излучение отнюдь не центрального источника, а тесно окружающих его областей звездообразования. Дело в том, что 10% известных нам сегодня самых массивных, а значит и очень молодых звезд Галактики теснится всего в трех молодых скоплениях около Sgr A*: Центральное, Пять близняшек (Quintuplet) и Arches cluster (не рискну сделать перевод, пока он не устоялся). Первое из них, которое умещается в центральном парсеке Галактики (!), точнее инфракрасное излучение его протозвезд и пыли - вот что увидели Беклин и Нейгебауэр.

Теперь, когда Андреа Гес и ее коллеги продемонстрировали как выглядит в инфракрасном диапазоне (в полосе L' = 3,8 мкм) сам центральный объект, ясно, что до появления таких новшеств, как адаптивная оптика или инфракрасная спекл интерферометрия, увидеть его было в принципе невозможно. Еще раз взгляните на их снимки и обратите внимание на масштаб: это квадраты со стороной всего 1,2 угловой секунды.

Но, как оказалось, даже с появлением адаптивной оптики на крупных телескопах объект еще некоторое время оставался недоступным. Когда его пытались наблюдать в ближнем ИК диапазоне (1-2 мкм), он просто тонул в свете звезд. Они там ярче, чем в полосе 3,8 мкм, а Sgr A* наоборот тусклее. Когда же Sgr A* пытались рассмотреть в тепловых ИК-лучах (> 8 мкм), там он тонул в излучении нагретой пыли.

С появлением на телескопах им. Кека инфракра