О ЧЕРНОЙ ДЫРЕ В ЦЕНТРЕ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ

В центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Наша галактика — Млечный Путь — не исключение. В 8 килопарсеках (26 000 световых лет) от Солнечной системы в созвездии Стрельца находится радиоисточник Стрелец А со звездочкой (или Sgr A*), отождествляемый с нашей галактической черной дырой. Он закрыт от нас плотными пылевыми и газовыми облаками, рассеивающими и поглощающими львиную долю его излучения в диапазоне длин волн короче миллиметра.

Institute for Advanced Study

ночью и рисунок холодного аккреционного диска вокруг нашей галактической черной дыры

Центр галактики — это плотный и богатый на различные структуры регион (см. рис. 1 и 2). В радиусе двух парсеков от черной дыры (рис. 1) расположены: ядерный звездный кластер, то есть кластер, находящийся в ядре галактики, молекулярное кольцо, преимущественно состоящее из

холодного молекулярного газа, и миниспираль, которая на самом деле представляет собой три газовых потока, несущих «топливо» к черной дыре. Гравитация самой черной дыры Sgr A*, а не комбинация гравитации черной дыры и распределенной массы звездного кластера, является доминирующим фактором, который определяет движение объектов внутри области с радиусом 0.3 парсеков вокруг центра галактики. На расстоянии 0.04 парсека (или 100 тыс. шварцшильдовских радиусов) находится радиус Бонди. Внутри него тепловой энергии газа недостаточно, чтобы преодолеть потенциальный барьер и избежать падения в черную дыру. Этот радиус зависит от температуры газа и массы черной дыры, и был оценен с помощью рентгеновских измерений. На масштабах меньше радиуса Бонди (см. врезку на рис. 1) отмечена орбита звезды S02, которая подлетает к черной дыре на самое близкое расстояние — всего 120 астрономических единиц. Там же для масштаба указана траектория объекта G2, природа которого неизвестна, но есть предположение, что это или газовое облако, или две слившиеся звезды, окруженные облаком газа и пыли. Плоскость диска нашей галактики изображена желтой линией. Так как мы находимся внутри этого диска, то и видим его с ребра.

Рис. 1: Два парсека вокруг центра галактики. Из Murchikova et al Nature 570, 83–86 (2019)

Поведение и геометрия орбиты звезды S02 играет ключевую роль в доказательстве того, что Sgr A* — черная дыра. Темная масса, под действием гравитации которой вращается на своей 16-летней орбите звезда S02, настолько велика и находится в таком маленьком объеме пространства, что источником этой гравитации не может быть ничто кроме черной

дыры. Четыре млн солнечных масс заключены внутри радиуса перигелия S02, который составляет всего 120 астрономических единиц.

Международная коллаборация Event Horizon Telescope (EHT или Телескоп Горизонта Событий) занимается исследованием поведения газа, падающего в черную дыру, на масштабах всего нескольких шварцшильдовских радиусов. Целью проекта является проверка применимости Общей Теории Относительности на таких близких масштабах, изучение поведения аккреционного потока вблизи горизонта событий и получение изображения тени черной дыры. Однако прежде чем мы сможем действительно протестировать выводы Общей Теории Относительности и разобраться с характеристиками потоков вблизи Sgr A*, нам нужно знать характеристики потоков газа, втекающих в ближайшие к черной дыре несколько шварцшильдовских радиусов с более дальних расстояний, чтобы понять, какой именно газ и с какими свойствами питает черную дыру. Именно о поведении аккреционных потоков газа на расстоянии примерно 20 тыс. шварцшильдовских радиусов мы будем здесь говорить. Следует отметить, что никто из участников описываемого здесь проекта не является участником коллаборации Event Horizon Telescope.

Рис. 2. Центр Галактики: 32 х 16 аркминут. Цвета и ссылки: Рентген (фиолетовый): NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.; Оптический (все цвета кроме красного и фиолетового): NASA/ESA/STScI/D.Wang et al.; Инфракрасный (красный): NASA/JPL-Caltech/SSC/S.Stolovy. Название: Galactic Center: NASA's Great Observatories Examine the Galactic Center Region

Чтобы представить аккреционный диск, воображение обычно рисует тонкий диск, похожий на картинку из фильма «Интерстеллар» (см. Е.М. Мурчикова, С.Б. Попов, «В черных дырах и между звездами», Троицкий вариант (2014)), или на кольца Сатурна (да, они действительно являются аккреционным диском). Однако тонкий диск возникает только то

гда, когда у черной дыры достаточно много «еды» и плотность аккреционного потока вокруг нее высока. Черные дыры, вокруг которых формируются тонкие диски, называются сытыми. В плотных аккреционных потоках вокруг таких черных дыр облака газа трутся друг о друга, благодаря чему они греются и высвечивают свою кинетическую энергию в виде фотонов. Вследствие этого газ охлаждается, формируя тонкий и достаточно холодный диск.

Черные дыры, у которых мало «еды», называются голодающими. Плотность аккреционного потока вокруг таких дыр невысока, поэтому трение между газовыми облаками недостаточно, чтобы позволить им высветить кинетическую энергию на временных масштабах, сравнимых со временем падениях их в черную дыру. Вследствие этого они недостаточно охлаждаются, и диск не становится тонким, а остается толстым и горячим.

Мерой измерения сытости черной дыры служит сравнение ее светимости, а точнее, светимости падающего в нее газа, с эддингтоновской светимостью — максимально возможной светимостью при сферической аккреции. Существование максимальной эддингтоновской светимости черных дыр связано с тем, что при падении большого количества вещества в дыру от внутренних частей аккреционного потока будет исходить большое количество излучения. Это излучение будет оказывать давление на газ, находящийся снаружи, и препятствовать его падению внутрь. Так, светимость центра нашей галактики примерно в 10⁸ раз меньше эддингтоновской светимости. Из этого мы заключили, что в момент времени, к которому относятся наши наблюдения, в центре нашей галактики находится голодная черная дыра, причем есть указания на то, что в прошлом Sgr A* был значительно более активным.

О «диете» галактической черной дыры, количестве и свойствах поглощаемого ей газа и структуре аккреционного потока вокруг нее нам известно в первую очередь из наблюдений телескопа Чандра в рентгеновском диапазоне. Разрешение Чандры составляет около 1 arcsec. Это соответствует примерно 100 тыс. шварцшильдовским радиусам от центра галактики, что, как уже указывалось, примерно совпадает с радиусом Бонди. Чтобы излучать рентгеновские фотоны, газ должен быть горячим, с температурой примерно 10⁷К. Этот горячий газ, как предполагается, формирует горячий аккреционный диск вокруг черной дыры. Однако так как разрешение рентгеновских телескопов невысоко, мы не можем увидеть в рентгеновском диапазоне ни структуры, похожей на диск, ни очевидных признаков вращения газа. То есть, хотя наличие диска считается логически установленным, чтобы его увидеть нужно отказаться от наблюдений в рентгене, как основного источника информации, и придумать что-то новое.

Помимо горячего газа, который видит телескоп Чандра, на расстоянии 2 парсеков от черной дыры находится много относительно холодного газа. Мы используем термин холодный только в относительном смысле – это газ, который холоднее 10⁷К. Так, мы будем называть газ с температурой 10⁴К холодным, хотя температура этого газа в два раза выше, чем температура Солнца. Все основные структуры, находящиеся на расстоянии 2 парсеков от центра галактики, которые изображены на Рис. 1, содержат холодный газ. Этот газ может и должен вносить вклад в аккреционный поток на черную дыру. Чтобы найти этот холодный газ, придётся обратиться к измерениям в миллиметровом диапазоне длин волн. Дело в том, что пыль в пространстве между Землей и центром галактики поглощает большую часть электромагнитного излучения с длиной волны меньше размеров частиц пыли, а размер частиц пыли примерно 1 мм. А чтобы получить картинки высокого разрешения, нужно производить измерения на телескопе-интерферометре.

Рис. 3. Автор статьи посещает телескоп АЛьМА в пустыне Атакама в качестве туриста

Самый лучший телескоп-интерферометр в мире, работающий в диапазоне длин волн около 1 мм, — это телескоп Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (произносится АЛьМА), раскинувшийся на 16 км на плато в пустыне Атакама в Чили на высоте 5 км над уровнем моря. Подать заявку, чтобы получить наблюдательное время на телескопе, может каждый желающий, и, если заявка принята, телескоп сделает наблюдения и доставит данные руководителю проекта. Поскольку АЛьМА не требует руководителя проекта лично приехать на гору и провести наблюдения самостоятельно, то возможность работать на АЛьМЕ имеют даже физики-теоретики, вроде автора статьи (защитившей диссертацию на кафедре теоретической физики физфака МГУ под руководством г.н.с. А.Е. Лобанова, а затем переквалифицировавшуюся в астрофизики). После подачи заявки ожидание результатов ее рассмотрения занимает около полугода. Если проект принят, то еще примерно год требуется для прове

дения наблюдений и доставки данных. Обработка данных в нашем случае заняла еще примерно полтора года с момента их получения.

Результат получился интересный (см. Murchikova, Phinney, Pancoast, Blandford, Nature 570, 83–86 (2019)): данные наблюдений линии водорода Н30-альфа, соответствующей переходу электрона с уровня 31 на 30, показали присутствие холодного газа на расстоянии около 15 000 шварцшильдовских радиусов вокруг Sgr A* (см. рис. 4).

Рис. 4. Наблюдение «холодного» 10000К газового диска вокруг черной дыры в центре нашей галактики. Верхняя панель: спектр. Нижняя панель: изображение части диска смещенного в синюю и в красную сторону. Murchikova et al Nature 570, 83-86 (2019)

Ширина наблюдаемой линии зависит от скоростей движения газа, поскольку, когда газ движется на нас, длина волны излучения укорачивается (смещается в синюю сторону), а когда от нас — то удлиняется (смещается в красную сторону). Наблюдаемая ширина линии Н30-альфа согласуется с предсказываемой шириной в случае скоростей вращения близких к кеплеровским. Оценка ионизационного баланса показала, что в видимой в Н30-альфа области вокруг центра галактики действительно достаточно фотонов с энергиями выше 13,6 эВ, необходимых для ионизации газа и поддержания его ионизированным. При этом источниками этих фотонов является как внутренняя часть аккреционного потока вокруг черной дыры (где газ обязательно является горячим), так и окружающие центр галактики звезды, в особенности звезды Вольфа-Райе. Что еще более интересно, так это то, что спектр с двумя горбами и разнесен

ными в пространстве красной и синей компонентами, указывает на наличие диска. Плоскость этого диска и направление вращения близко к плоскости и направлению вращения диска нашей галактики. Диск вращается в сходных направлениях с такими несущими холодный газ структурами, как мини-спираль и молекулярное кольцо, благодаря чему может подпитываться обеими.

Еще один интересный момент. Стоит отметить, что облачка холодного газа, которые формируют холодный диск, судя по всему встроены в горячий поток и, как следствие, указывают направление его вращения. Благодаря этому мы впервые имеем возможность наблюдать вращение аккреционного потока вокруг центра галактики. Таким образом, мы, наконец, видим то, что давно подозревали, но ранее не видели.

Задача понять в деталях структуру аккреционного потока вокруг галактического центра Млечного Пути Sgr A* со стороны может показаться весьма частной. Однако важно осознать, что это не просто какая-то средне-статистическая черная дыра, — это самая ближняя к нам черная дыра, та самая, для которой мы можем в деталях разрешить движение окружающих ее звезд и проследить их полные орбиты. Она единственная, для которой мы можем, хотя бы пока теоретически, увидеть движение облачков в мельчайших деталях, недоступных нигде более. До тех пор, пока мы полностью не разберемся, как работает та единственная дыра, аккреционный поток которой мы на самом деле можем увидеть, мы не можем утверждать, что знаем, как работают другие. Телескопы KECK, GRAVITY, EHT, ALMA и т. д., так же как и люди, занимающиеся их обслуживанием и наблюдениями, неустанно работают, чтобы в ближайшем будущем принести нам новые открытия в этой области и разгадать наконец-то загадку поведения Sgr A*.

Елена Мурчикова,Institute for Advanced Study, Princeton NJ, USA, выпуск физического факультета 2007 г.