Темное сердце
В сердце Млечного Пути притаилось чудовище. Наблюдая за скоростями звезд, летающих вокруг галактического центра, астрономы пришли к выводу, что в нем скрывается невидимый плотный объект, примерно в 4 миллиона раз массивнее Солнца. Эта масса сосредоточена в такой маленькой области, что единственным правдоподобным объяснением является сверхмассивная черная дыра.
Большинство крупных галактик – если не все – приютили в своих центрах черные дыры. Некоторые из этих монстров самозабвенно и с энтузиазмом поглощают окружающий их газ. Падая на черные дыры, газ нагревается и создает квазары – пылающие маяки Вселенной (см. главу 9). Но наша собственная сверхмассивная черная дыра, называемая Стрелец A*, выглядит необычайно сонной и тусклой – она испускает лишь скромные потоки рентгеновских лучей и радиоволн.
И это несмотря на то что пищи у нашего монстра предостаточно. Вокруг него вращается множество массивных звезд. По расчетам ученых, их звездный ветер содержит достаточно газа, чтобы ежегодно снабжать черную дыру веществом, масса которого равна четырехкратной массе нашей планеты. Если бы левиафан в центре Галактики проглотил столько пищи, то в рентгеновских лучах он сиял бы в 100 миллионов раз ярче.
Может быть, скромные аппетиты Стрельца A* объясняются тем, что окружающий его газ слишком горяч? Звездные ветры сталкиваются в звездном диске и нагревают газ до 10 миллионов °С, прежде чем он начинает падать к черной дыре. Частицы разреженного горячего газа участвуют в быстрых беспорядочных движениях, и загнать их в логово черной дыры удается с трудом. Препятствовать проникновению газа внутрь могут и струи вещества (джеты), истекающие из черных дыр.
Старые вспышки
Слабость нашей сверхмассивной черной дыры может быть лишь преходящей фазой в ее жизни. В 2003 году спутник INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory – «Международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей») зарегистрировал жесткое рентгеновское излучение, исходящее от газового облака Стрелец B2 и находящееся примерно в 350 световых годах от черной дыры.
Весьма вероятно, что для наблюдателей на Земле около 350 лет назад черная дыра в центре Галактики выглядела невероятно яркой на коротких длинах волн – в миллион раз ярче, чем сегодня. Если бы Ньютон или Галилей изобрели мощный гамма-телескоп, они могли бы увидеть в самом центре Галактики ослепительное зрелище. Яркое излучение из центра достигло облака B2 через 350 лет после вспышки, и теперь мы видим, как облако флуоресцирует в рентгеновских лучах. Таким образом, наша Галактика могла быть активной относительно недавно и вполне может вспыхнуть в будущем снова, хотя и неизвестно, когда.
Гораздо более интенсивная вспышка, по-видимому, произошла 2 миллиона лет назад. В 2010 году с помощью космического гамма-телескопа «Ферми» астрономы обнаружили пару эффектных таинственных структур, которые растянуты перпендикулярно плоскости Млечного Пути на 25 тысяч световых лет каждая и испускают излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Их назвали пузырями Ферми. Для объяснения этих загадочных объектов придумали несколько теорий: например, гамма-излучение может возникать при аннигиляции темной материи; или же к появлению сверхзвукового ветра привели интенсивные вспышки звездообразования.
В 2013 году Билл Мэтьюз из Калифорнийского университета (г. Санта-Круз, США) и Фулай Гуо из Шанхайской астрономической обсерватории (Китай) предположили, что пузыри были вызваны вспышкой Стрельца A*. Их идея заключается в том, что при падении вещества на сверхмассивную черную дыру это вещество накапливается в окружающем диске, нагревается и начинает светиться. Когда в диск попадает большое количество вещества, энергия выделяется в виде ярких струй частиц, вылетающих вдоль оси вращения черной дыры. Как предполагает моделирование процесса, две такие струи частиц высокой энергии и могли привести к образованию пузырей Ферми. Расчеты показывают, что вспышка могла произойти от 1 до 3 миллионов лет назад и длилась несколько сотен тысяч лет.
Джосс Блэнд-Хоторн из Сиднейского университета (Австралия) предположил, что такая вспышка может приоткрыть завесу над еще одной давней тайной. В 1996 году астрономы обнаружили, что часть Магелланова потока – быстро движущейся струи водородного газа, находящейся на расстоянии около 240 000 световых лет от Млечного Пути, – светится примерно в 10–50 раз ярче остальных участков этого потока. Может быть, причина этого яркого свечения кроется в том же самом взрыве, после которого образовались пузыри Ферми? Ведь яркая часть потока лежит ниже галактического центра.
Рис. 8.2. Два миллиона лет назад черная дыра в нашей Галактике создала два пузыря газа и осветила часть межзвездного газового облака.
Основываясь на данных, полученных для других галактик со сверхмассивными черными дырами, которые активно извергают струи, Блэнд-Хоторн и его коллеги пришли к выводу: если бы Стрелец А* был так же активен, его ультрафиолетовое излучение действительно могло бы ионизовать – и, следовательно, осветить – часть Магелланова потока (см. рис. 8.2).
Если бы такая огромная вспышка имела место, ее отголоском было бы яркое пятно размером с Луну на южном небосводе Земли. Человек умелый (Homo habilis) или человек прямоходящий (Homo erectus) уже могли быть непосредственными свидетелями этой вспышки.
Стремительная звезда
Бело-голубая звезда S2 – одна из самых быстрых из известных звезд, с очень большой светимостью. Находясь в непосредственной близости от центральной черной дыры Галактики, она вращается вокруг Стрельца A* со скоростью до 5000 км/с, что составляет почти 2 % от скорости света.
Откуда она могла взяться? На таком близком расстоянии гравитационное поле черной дыры должно было порвать облака газа в клочья еще до того, как они могли сконденсироваться в новые звезды. Гипотеза, что звезда могла родиться в более благоприятных условиях и впоследствии сместиться к центру Галактики, противоречит ее возрасту – яркой звезде S2 не более 10 миллионов лет, и вряд ли она могла предпринять длинное путешествие за такой короткий срок.
Интервью. Как я буду фотографировать черную дыру
Хейно Фальке, радиоастроном из университета Радбода (г. Неймеген, Нидерланды), который занимается астрофизикой элементарных частиц, рассказывает о своих планах использовать глобальную сеть радиотелескопов, чтобы сделать снимки черной дыры в центре Млечного пути. Корреспондент New Scientist в 2015 году взял у него интервью.
– Зачем нужно фотографировать черную дыру?
– Черные дыры были предсказаны сто лет назад, но у меня такое чувство, что время идет, а мы понимаем их все меньше и меньше. У нас до сих пор нет убедительных доказательств существования горизонта событий, из-под которого ничто не может вырваться наружу. Кроме того, наличие горизонта событий невозможно объяснить в квантовой теории. Что-то в теории придется менять, и пока не понятно, что именно.
– Откуда нам вообще известно, что в ядре Млечного Пути есть черная дыра?
– Звезды вращаются вокруг центра Галактики со скоростью около 10 000 км/с. Это означает, что в центре должен находиться объект с массой, более чем в 4 миллиона раз превышающей массу нашего Солнца. Единственное, что мы видим в самом центре, – это источник очень коротких субмиллиметровых радиоволн – Стрелец А*.
– Как вам поможет гигантская сеть радиотелескопов?
– Диаметр горизонта событий черной дыры составляет порядка 25 миллионов км, но он находится на расстоянии 27 000 световых лет от нас. Чтобы получить его изображение на субмиллиметровых длинах волн, нужен телескоп размером с Землю. Всемирная сеть радиотелескопов может обеспечить нужное разрешение.
– Разве американские астрономы не работают над подобной идеей?
– Впервые я обсуждал эту идею десять лет назад с Шепом Доулманом из Массачусетского технологического института, Доулман сейчас возглавляет американский проект «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope). Нет особого смысла использовать только небольшой набор доступных телескопов. Мы нужны им, а они нужны нам!
– Что конкретно вы ищете?
– Мы надеемся увидеть, как радиоволны из окрестностей черной дыры изгибаются и поглощаются, как в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар». В результате мы надеемся увидеть своего рода центральную «тень». Сравнивая размер, форму и резкость этой тени с теоретическими предсказаниями, мы можем проверить Общую теорию относительности. Допустим, тень получится в два раза меньше или, наоборот, в два раз больше, чем предсказывается, – тогда Общая теория относительности неверна.
– Каковы наибольшие трудности на этом пути?
– Были очень серьезные трудности технического характера, но мы их преодолели. На каждом телескопе необходимо записывать данные многочасовых наблюдений со скоростью 64 гигабита в секунду, а затем обмениваться петабайтами информации между континентами. Финансовые затруднения удалось преодолеть с помощью грантов Европейского исследовательского совета и Национального научного фонда США.
– Когда мы сможем увидеть первый портрет черной дыры?
– В 2000 году я говорил, что первый результат может быть получен в течение десятилетия, а теперь вижу, что нам следует немного умерить наши ожидания. Может быть, придется подождать еще лет десять? Надеюсь, что нет, но, в конце концов, это займет определенное время.
