После полувековых поисков наконец-то удалось обнаружить недостающий ветер в черной дыре Млечного Пути

После более чем 50 лет поисков астрофизики из Северо-Западного университета наконец обнаружили доказательства существования мощного ветра, дующего из центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, Стрельца А* (Sgr A*).

Согласно теоретической физике и общепринятым представлениям об эволюции галактик, по мере поглощения материала черные дыры должны испускать ветер или джеты. Даже небольшое количество газа, попадающего в черную дыру, должно генерировать достаточно энергии, чтобы выталкивать вещество наружу. Если бы у Sgr A* не было ветра, она была бы уникальным исключением.

Но до сих пор никто не мог его найти.

Получив наиболее полное на сегодняшний день представление о том, как Sgr A* взаимодействует с окружающей средой и преобразует ее, ученые разгадали одну из самых давних загадок астрономии. Кроме того, это открытие позволяет по-новому взглянуть на физические процессы, происходящие в центре Млечного Пути.

«Если только черная дыра не находится в идеальном вакууме, она должна каким-то образом создавать ветер, — сказал Марк Горски из Северо-Западного университета, один из руководителей исследования. — А во Вселенной нет идеального вакуума. Благодаря новым наблюдениям мы впервые получили достаточно четкое изображение, чтобы увидеть след этого ветра. Мы изучили данные и сказали: «Вот оно». Есть то, что все искали на протяжении 50 лет.

«Мы первыми показали, что молекулярный газ в непосредственной близости от черной дыры питает ее, — говорит Елена Мурчикова, которая вместе с Горски руководила исследованием. — Ветер не очень сильный, и его направление, вероятно, меняется со временем. Это показывает, что наша черная дыра не уникальна, как и наше место во Вселенной».

Горски, специализирующийся на эволюции галактик, является доцентом-исследователем в Центре междисциплинарных исследований и разработок в области астрофизики Северо-Западного университета (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, CIERA). Мурчикова, эксперт в области астрофизики черных дыр, является доцентом кафедры физики и астрономии в Колледже искусств и наук имени Вайнберга при Северо-Западном университете и членом CIERA.

Неуловимый ветер в сердце галактики

Хотя черные дыры печально известны тем, что поглощают все, что оказывается слишком близко, они не только втягивают материю в себя. Они еще и выталкивают ее. На протяжении десятилетий теоретики предсказывали, что все активно питающиеся черные дыры выбрасывают мощные потоки вещества.

По мере того как материя по спирали приближается к черной дыре, ее скорость увеличивается, пока не достигает скорости света. Это создает достаточно энергии и давления, чтобы часть горячего, быстро движущегося материала выбрасывалась наружу в виде ветров или струй.

Хотя астрономы обнаружили свидетельства прошлых извержений из Sgr A*, им не удавалось зафиксировать потоки вещества, происходящие в настоящее время. По мнению ученых из Северо-Западного университета, это, вероятно, связано с тем, что Sgr A* находится в более спокойной фазе и его просто невероятно трудно увидеть.

«Чтобы наблюдать за нашей черной дырой, нам нужно смотреть сквозь плоскость нашей галактики, — говорит Мурчикова. — Это значит, что нам придется смотреть сквозь газ, пыль и ионизированные структуры, а сквозь все это не так-то просто разглядеть».

Полость в форме конуса

Теперь, благодаря новым инструментам и наблюдениям, команда наконец смогла рассмотреть объект поближе. Используя данные, полученные за пять лет чрезвычайно глубоких наблюдений с помощью радиотелескопов Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки (ALMA) в Чили, Горски и Мурчикова создали самое четкое изображение холодного молекулярного газа, окружающего черную дыру.

На снимке виден газ, расположенный в непосредственной близости от Sgr A* — всего в одном парсеке (или примерно в трех световых годах) от черной дыры. Затем ученые применили метод калибровки, чтобы убрать яркие радиосигналы черной дыры. Полученное изображение в 100 раз глубже и в 80 раз четче, чем предыдущие карты этого региона. Благодаря такому уровню детализации на снимке видны структуры, которые были совершенно невидимы при предыдущих наблюдениях.

Но одна недавно обнаруженная характерная особенность привела Горского и Мурчикову в изумление. Огромная конусообразная полость длиной почти в один парсек и шириной в 45 градусов была лишена холодного молекулярного газа. По мнению исследователей, только горячий и мощный ветер, дующий от Sgr A*, мог создать эту пустоту. Куда бы ни дул горячий ветер, он либо уносит холодный газ, либо нагревает его.

«Если вы выдуваете горячий материал из черной дыры, он не сможет сосуществовать с холодным материалом, — сказал Горски. — Он либо вытеснит холодный материал, либо нагреет его. А если он будет слишком горячим, вы больше не увидите холодный газ».

Исключительные утверждения, исключительные доказательства

Хотя звезды тоже создают ветры, их мощности недостаточно, чтобы создать идеально ровную область такого размера. Даже совокупной мощности всех близлежащих звезд не хватит.

«Это огромная пустота, — сказал Горски. — Мы подсчитали, сколько энергии потребовалось для создания этой полости. Ее больше, чем могут дать звезды в этой области. По сути, она должна поступать от сверхмассивной черной дыры. И если посмотреть на форму конуса, то он направлен прямо на черную дыру».

Прежде чем объявить о том, что они разгадали давнюю загадку, Горски и Мурчикова продолжили анализировать данные, чтобы подтвердить свои результаты.Рентгеновская обсерватория «Чандра» НАСА ранее зафиксировала яркое рентгеновское излучение в том же самом регионе. В том же месте, где наблюдалось яркое рентгеновское излучение, появилась полая конусообразная область, в которой отсутствовал холодный газ.

«Исключительные утверждения требуют исключительных доказательств», — сказал Горски. «Мы хотели убедиться, что это не какой-то артефакт на снимке. Тогда рентгеновский снимок с «Чандры» идеально вписался в общую картину. Молекулярные структуры совпали».

«Когда находишь что-то, чего раньше никто не видел, первая мысль, которая приходит в голову, — не «О боже, мы сделали открытие», — говорит Мурчикова. — А «О боже, что не так с моим анализом?» Но когда мы наложили наше изображение на рентгеновское, все встало на свои места».

Спокойная фаза жизни

Судя по тому, насколько далеко распространяется его влияние на близлежащий поток ионизированного газа, астрофизики предполагают, что ветер активен уже как минимум 20 000 лет. Это открытие также подтверждает, что Sgr A* относительно спокойна по сравнению с центральными сверхмассивными чёрными дырами других галактик.

«Большинство других галактик большую часть своей жизни проводят в состоянии, когда они не особенно активны, — говорит Мурчикова. — Но мы можем наблюдать их только тогда, когда они находятся в стадии активного звездообразования. Очень интересно изучать черные дыры в стадии активного звездообразования, но на самом деле это не основное их состояние. Sgr A* наконец-то дает нам возможность заглянуть в жизнь черной дыры в этом спокойном состоянии».

На изображении:

На этом составном изображении видны следы ветра, дующего от Стрельца A* (Sgr A*) — сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Белая точка в центре изображения — это Sgr A*. Оранжевым цветом обозначены данные, полученные с помощью радиотелескопов комплекса Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) в Чили, которые отображают расположение холодного газа, состоящего из монооксида углерода. Синим цветом обозначены рентгеновские данные, полученные с помощью рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Источник: рентгеновское изображение: NASA/CXC/Северо-Западный университет/М. Горски; радиоизображение: ESO/NAOJ/NRAO/ALMA; обработка: NASA/CXC/SAO/К. Аркан и П. Эдмондс