Астрономы увидели, как сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики обедает разрушенными ею же звёздами. Какой-то кусок угощения породил вспышку, наблюдение за которой с помощью сразу двух телескопов - оптического «Йепун» и субмиллиметрового APEX - позволило выяснить её физическую природу. Точнее, узнать параметры Сверхмассивные чёрные дыры имеются в центре большинства, а возможно, и всех крупных галактик. После появления здесь «затравочной» чёрной дыры - например, звёздной или чуть большей массы, условия её питания оказываются очень подходящими для дальнейшего роста: плотность звёзд и газа здесь очень велики и чёрная дыра быстро набирает массу. Кроме того, при слиянии галактик чёрные дыры, существовавшие в центре каждой из них оседают к новому центру, где сливаются в единое образование. Расчёты показывают, что на образование чёрной дыры массой в миллионы и миллиарды масс Солнца требуются от сотен миллионов до нескольких миллиардов лет.
Вероятно, в природе имеются также чёрные дыры промежуточных масс - в сотни и тысячи солнечных. Такие чёрные дыры могли бы образовываться, например, при коллапсе сверхмассивных звёзд, по-видимому, присутствовавших во Вселенной во времена её молодости. Некоторые из них как раз и стали «затравочными» объектами для образования сверхмассивных чёрных дыр, другие - набрали гораздо меньше массы. Обнаружить их сложно.
Наконец, первичные чёрные дыры могли образовываться в самой ранней молодости Вселенной, когда она была ещё очень горячей и плотной, - например, на топологических дефектах при фазовых переходах вещества. Эти чёрные дыры могли иметь практически любую массу, однако дыры с массой меньше примерно 1015 грамм уже должны были «испариться», а очень крупные дыры встречаются слишком редко, чтобы их можно было заметить простейшей модели, которая её описывает - не факт, что правильно.
В центре любой уважающей себя галактики находится сверхмассивная чёрная дыра - объект в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца, вокруг которого крутят хоровод звёзды и облака газа. Как они здесь появились, до конца не ясно, однако большинство астрономов предполагают, что эти чёрные дыры выросли вместе с самими галактиками.
Зародышами их были трупы первых звёзд, появившихся во Вселенной через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва. Затем чёрные дыры росли, поглощая окружающий их плотный газ, непонятную тёмную материю и неосторожные звёзды, разорванные гравитационным монстром, когда забрались слишком глубоко в сферу его влияния. Постепенно самые крупные чёрные дыры галактики сваливались в их центр за счёт своеобразного, так называемого «динамического» трения - эффекта торможения, вызванного взаимодействием с далёкими звёздами.
Самая легкая галактика
 У галактик обнаружилась минимальная масса - какой бы крохотной на вид она не казалась, она не может быть легче 10 миллионов масс Солнца. Весь недобор звёздной массы компенсирует тёмная материя, свойства которой благодаря этому открытию стали чуть яснее.
Галактика, в которой мы живём, - Млечный путь - настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звёзд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака - крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооружённым глазом.
В самых крохотных же спутниках едва набирается несколько тысяч звёзд, и непосредственно увидеть их не получится даже через самый крупный телескоп. Звёзды этих карликов просто теряются на изображении среди мириад светил нашей Галактики. В таких случаях астрономам приходится восстанавливать трёхмерную структуру всего звёздного поля, и иногда они с удивлением обнаруживают, что рассыпанные по полю зрения звёзды на деле находятся далеко за границей Млечного пути, превращаясь вдруг в карликовую галактику.
Благодаря огромному массиву данных Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) и возросшей мощности компьютеров и алгоритмов делать это в последние годы стало проще, и половина упомянутых выше 23 спутников Млечного пути открыта именно таким образом. Приятно отметить, что большая их часть обнаружена выпускниками Московского университета Василием Белокуровым и Сергеем Копосовым, работающими сейчас в Великобритании и Германии. Недавно им и их коллегам удалось найти даже крохотную галактику, сопровождающую другой карлик в его движении вокруг Млечного пути.
Карта окрестностей Млечного пути. Показаны 19 его спутников. // J.Bullock, M.Geha & R.Powell
Учёные под руководством Луиса Стригари из Калифорнийского университета смогли измерить массы 18 спутников нашей Галактики. Самые крупные из сателлитов - например, Большое и Малое Магеллановы облака - в список Стригари и его коллег не попали: о них всё давно известно. Однако и те 18 галактик, что остались, невероятно разнообразны. Например, самый яркий спутник в этом списке - карликовая галактика в созвездии Печи - светится, как 20 миллионов солнц. Светимость же самой скромной галактики - Уилман-1, находящейся в созвездии Большой Медведицы, - не дотягивает даже до тысячи солнечных.
Тем не менее, масса таких разных спутников оказалась одинаковой - 10 миллионов масс Солнца.
Разброс значений - всего в полтора-два раза в ту и другую сторону, и это при разнице светимостей на 4 с лишним порядка! Результаты работы опубликованы в последнем номере Nature.
Три спутника Млечного пути - Уилман-1 (W1), вторая карликовая галактика в созвездии Льва (Leo II) и карликовая галактика в созвездии Печи (Fornax). Несмотря на разительные отличия внешнего вида, 25-кратную разницу линейных масштабов и 10 000-кратную разницу в светимости, у всех этих галактик одна и та же масса - 10 миллионов масс Солнца. // J.Bullock, M.Geha & R.Powell
Если быть более строгим, в работе измерялась полная масса вещества в радиусе 300 парсек (примерно тысячи световых лет) от центра галактики, то есть речь скорее идёт о средней плотности в центре, а не, собственно, массе. Тем не менее, мы, вслед за астрономами, будем говорить именно о массе, не забывая значение этой меры.
То обстоятельство, что галактики весят куда больше всех входящих в них звёзд и газа, уже полвека не удивляет астрономов. Большая часть массы в нашей Вселенной - это так называемое тёмное вещество, или тёмная материя. Более того, считается, что если бы не эта загадочная материя, физическую природу которой пока никто не знает, галактики, как мы их знаем, вообще не смогли бы образоваться - силы притяжения их вещества не хватило бы, чтобы собрать на себя достаточно газа и сформировать звёзды.
Не новость и то обстоятельство, что в карликовых галактиках доля тёмной материи гораздо больше. Эта тенденция давно подмечена: например, в гигантском Млечном пути тёмной материи примерно 90%, а в карликовых галактиках её доля зашкаливает за 99%.
Самый интересный результат - это именно измерение минимальной массы галактики. Поскольку Стригари и его коллеги изучали самые хиленькие карликовые сфероидальные спутники Млечного пути, можно считать, что то значение, которое они нащупали, - и есть тот самый минимум. Учёные даже проверили, не может ли значение массы галактик, которое они измерили по скорости движения звёзд в них, быть искажено влиянием Млечного пути. Никаких признаков тому найти не удалось, а значит, скорее всего, галактик легче 107 масс Солнца действительно нет.
Это минимальное значение может пролить свет на три вещи: процессы образования звёзд и галактик, природу тёмной материи и законы гравитации.
И если среди физиков найдётся совсем немного сомневающихся в необходимости уточнять законы гравитации, то каждая крупица знаний о звёздообразовании или физической природе тёмной материи - на вес золота. Звёздообразование - слишком сложное явление, в которое одновременно вовлечены столько физических процессов, что не то что описать аналитически, но даже тупо смоделировать все их подробности в памяти компьютера пока не удаётся. Природа же тёмной материи - вообще тайна за семью печатями. Из каких частиц она состоит, каковы их свойства, почему они не взаимодействуют с обычным веществом иначе как через силу тяготения и взаимодействуют ли частицы тёмной материи друг с другом - всё это совершенно не известно.
Как отделить тёмное от светлого
 Телескоп размером в тысячи километров позволил разглядеть чёрную дыру в центре нашей Галактики в небывалых деталях. Размер источника света - меньше 25 миллионов километров, а значит, у объекта есть горизонт событий - главная особенность настоящих чёрных дыр, отличающая их от альтернативных самозванцев.
В центре каждой уважающей себя галактики должна быть чёрная дыра. И не простая, а сверхмассивная, которая весит от нескольких миллионов до многих миллиардов масс Солнца. Сами по себе эти объекты, на границе которых застывают время и свет, не светятся, и большую часть времени они тихо сидят в центрах своих галактик, едва-едва выдавая своё присутствие мерцанием нагретого замагниченного газа, который, сжимаясь, медленно приближается к горизонту событий, где он навечно скроется.
Но иногда чёрным дырам удаётся поживиться. Бывает, звезда в своих блужданиях по галактике забредает слишком близко к дыре и оказывается разрушена мощнейшими приливными гравитационными силами невидимого монстра. Бывает, галактика, в центре которой он сидит, сталкивается с другой. Тогда при перестройке орбит всего вещества, обращавшегося до столкновения вокруг центров двух галактик, в опасной близости от чёрной дыры могут оказаться облака газа, которые также рано или поздно будут проглочены.
Пока чёрная дыра пирует, падающий в неё газ ярко светится, нагреваясь до миллионов и миллиардов градусов из-за трения во вращающемся вокруг дыры так называемом аккреционном диске. Избытки же вещества, которые чёрная дыра не может проглотить, вылетают наружу в виде двух струй или джетов, в образовании которых, видимо, ключевую роль играет магнитное поле. В такие моменты на небе загорается активное галактическое ядро, и те миллионы лет, пока оно светит, можно быть уверенным, что масса чёрной дыры непрерывно увеличивается за счёт пожираемого газа и звёзд.
Систематика чёрных дыр
В настоящее время твёрдо установлено наличие двух типов чёрных дыр, и имеются достаточно обоснованные свидетельства существование третьего и пока лишь умозрительные гипотезы насчёт наличия четвёртого.
Чёрные дыры звёздных масс образуются в результате эволюции массивных звёзд. Когда ядерное топливо в их центрах заканчивается, и давление обычного газа, вырожденного электронного газа и нейтронной жидкости оказываются не в силах противостоять гравитации, ядро звезды коллапсирует в чёрную дыру. Так образуются чёрные дыры массой от нескольких до нескольких десятков масс Солнца.
<!--[if gte mso 9]> Normal 0 false false false RU X-NONE X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 <!--[if gte mso 9]> <!--[if gte mso 10]> <!--[endif]-->
Сверхмассивные чёрные дыры имеются в центре большинства, а возможно, и всех крупных галактик. После появления здесь «затравочной» чёрной дыры - например, звёздной или чуть большей массы, условия её питания оказываются очень подходящими для дальнейшего роста: плотность звёзд и газа здесь очень велики и чёрная дыра быстро набирает массу. Кроме того, при слиянии галактик чёрные дыры, существовавшие в центре каждой из них оседают к новому центру, где сливаются в единое образование. Расчёты показывают, что на образование чёрной дыры массой в миллионы и миллиарды масс Солнца требуются от сотен миллионов до нескольких миллиардов лет. Вероятно, в природе имеются также чёрные дыры промежуточных масс - в сотни и тысячи солнечных. Такие чёрные дыры могли бы образовываться, например, при коллапсе сверхмассивных звёзд, по-видимому, присутствовавших во Вселенной во времена её молодости. Некоторые из них как раз и стали «затравочными» объектами для образования сверхмассивных чёрных дыр, другие - набрали гораздо меньше массы. Обнаружить их сложно.
Наконец, первичные чёрные дыры могли образовываться в самой ранней молодости Вселенной, когда она была ещё очень горячей и плотной, - например, на топологических дефектах при фазовых переходах вещества. Эти чёрные дыры могли иметь практически любую массу, однако дыры с массой меньше примерно 1015 грамм уже должны были «испариться», а очень крупные дыры встречаются слишком редко, чтобы их можно было заметить.
Чёрная дыра в центре нашей Галактики за свою историю много не наела. Её масса - всего 3,5-4 миллиона солнц. Это немного по меркам сверхмассивных чёрных дыр, и такой огромной звёздной системе, как Млечный путь, наверное, должно быть даже обидно, что в центре его спиральных рукавов прячется такая кроха. Впрочем, человечеству, возможно, огорчаться не стоит: небольшой вес центральной дыры намекает на то, что история Млечного пути обошлась без крупных столкновений с другими звёздными системами; а неизвестно, как бы пошла история жизни на Земле, если бы такие столкновения были.
Тем не менее, именно наша «родная» чёрная дыра - самый притягательный объект для астрономов и тех физиков, что всё ещё сомневаются в существовании этих объектов.
Причина этого проста - у чёрной дыры в центре нашей Галактики самый большой размер на небе.
Настоящий, линейный, выраженный в сантиметрах размер чёрной дыры - то есть того «горизонта событий», из-под которого ничто, даже свет, не может убежать наружу - пропорционален её массе. Так что во Вселенной есть черные дыры, диаметр которых в тысячи раз превышает 20-25 миллионов километров, соответствующих «нашей» чёрной дыре. Но все эти расположены очень далеко, потому угловой, в градусах и их разнообразных долях, размер чёрной дыр на небе больше всех именно у объекта, расположенного в центре нашей галактики. Существует немало кандидатов в чёрные дыры, расположенных ещё ближе к Земле, но они из совсем другой весовой категории чёрных дыр звёздных масс, а потому гораздо меньше.
Тем не менее, если выразить этот «самый большой размер на небе» числом, получится очень маленькая величина - диаметр чёрной дыры должен составлять примерно 20 угловых микросекунд. Поскольку из-под горизонта никакое излучение не выходит, мы можем рассчитывать увидеть лишь вещество, которое находится рядом с границей чёрной дыры.
Световые лучи в её окрестностях выписывают замысловатые траектории, благодаря чему изображение, которое мы видим, распухает ещё в два-три раза. В итоге мы можем надеяться увидеть на месте чёрной дыры источник размером около 50 угловых микросекунд.
Это по-прежнему очень мало - примерно в 100 миллионов раз меньше углового градуса, в 2 миллиона раз меньше разрешения человеческого глаза и в тысячу-другую раз меньше самых крохотных подробностей неба, которые можно разглядеть с помощью космического телескопа имени Хаббла.
Видеть столь мелкие детали способны только радиоастрономы.
Это особая каста учёных, которые никак не походят на стереотип астронома - причудливого старичка в расшитом звёздами плаще, просиживающего ночи напролёт в обсерватории. Радиоастрономы направляют в небо огромные чаши радиотелескопов, которым обычно не мешает и дневной свет, и записывают шумы, которые появляются в фокусе этих антенн.
Радиоастрономы хотя и немногочисленны, но в некоторых вопросах гораздо успешнее своих оптических коллег - например, большая часть из тех немногих Нобелевских премий, что достались астрономам, уехали именно в радиообсерватории. Эти же люди умеют получать самые подробные изображения неба.
Последнее обстоятельство, вообще говоря, парадоксально. Из-за волновой природы электромагнитного излучения размер самых мелких деталей, которые различимы в телескоп, примерно равен отношению длины волны к диаметру телескопа. Но радиоволны - это как раз самые длинные волны, и подробность изображения, полученного с их помощью, должна уступать оптическому снимку и тем более ультрафиолетовому или рентгеновскому.
Спасает метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Радиоастрономы научились обращать зло большой длины радиоволн во благо, объединяя записанные на разных континентах колебания электромагнитного поля и превращая таким образом Землю в гигантский «виртуальный радиотелескоп» диаметром тысячи километров. Конечно, при таком объединении требуется исключительная стабильность записей, поэтому РСДБ считается верхом наблюдательного искусства в радиоастрономии. Записывать подобным образом оптические сигналы пока никто не умеет - их частота настолько высока, что детекторы успевают почувствовать лишь усреднённые характеристики электромагнитного поля.
 Для наблюдений центра нашей Галактики учёные задействовали три антенны:
1: на Гавайях работал 15-метровый Телескоп имени Джеймса Клерка Максвелла (JCMT),временная стабильность данных которого обеспечивалась Субмиллиметровым массивом телескопов (SMA);
2: в штате Аризона наблюдения осуществлял 10-метровый Субмиллиметровый телескоп (SMT) Аризонской радиообсерватории (ARO);
3: на востоке Калифорнии им помогал Комбинированный массив для астрономических исследований в миллиметровом диапазоне (CARMA). // MIT/Shep Doeleman
РСДБ
На самом деле, предел разрешения телескопа зависит, не собственно от размеров объектива, а от расстояния между его самыми удалёнными точками. Свет идёт хотя и очень быстро, но с конечной скоростью, и именно крохотные задержки моментов прихода «гребня» (некоторой заданной фазы) волны между крайними точками и определяют, сколь мелкие детали мы видим.
Если взять объектив, разрезать его на части и разнести их на большое расстояние, а построенные ими изображения объединить, результат окажется куда более подробным, чем у исходного телескопа. На деле, конечно, зеркала и линзы не режут, а просто объединяют сигналы нескольких телескопов в интерферометре.
Поскольку длины радиоволн в тысячи раз больше длины волны видимого света, то чтобы тягаться с оптическими телескопами размером в несколько метров, радиоантенны нужно разводить на многие километры. Если же расстояние между антеннами увеличить до тысяч километров, то оптики будут посрамлены.
Проблема только в том, что сводить сигналы, полученные за тысячи километров друг от друга, сложно - провода с континента до континента не дотянешь, а если и дотянешь, то из-за случайных перепадов температур во времена прихода сигналов будет вноситься непредсказуемый шум, который полностью угробит весь полезный сигнал.
Однако длинные волны - это одновременно небольшие частоты, а значит можно полностью отказаться от проводов. Вместо этого приходящие радиоволны просто записывают на магнитную плёнку или диск, а объединяют сигналы уже потом, проигрывая их с того же носителя.
Этот метод называет радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой, известной русским сокращением РСДБ и английским акронимом VLBI (Very Long Baseline Interferometry).
Если покрыть большую площадь массивом радиотелескопов, корреляция между различными приёмниками будет, по сути, представлять собой преобразование Фурье от изображения наблюдаемого источника. Обратить это преобразование и выяснить, как этот источник выглядит - дело математической техники.
Учёные из США, Нидерландов и Германии под руководством Шепа Доулмана из Массачусетского технологического института построили свой «виртуальный радиотелескоп» на данных, полученных с помощью антенн в американских штатах Аризона, Калифорния и на Гавайях. Результаты этой работы изложены в последнем номере Nature. Наблюдения центра нашей галактики, которые состоялись ещё в апреле прошлого года, Доулман и коллеги провели с помощью радиоволн длиной всего 1,3 миллиметра.
Это и вовсе высший пилотаж. Для обеспечения стабильности записи данных, которые каждый детектор выдавал со скоростью полгигабайта в секунду, пришлось использовать эталон времени на основе водородного мазера - по сути, атомные часы. Кроме того, все данные калибровались по шести небесным радиоисточникам, сигналы от которых записывались всякий раз перед началом наблюдений галактического центра.
Короткая длина радиоволн и тысячи километров расстояния между антеннами позволили достичь небывалой точности всего в 40 угловых микросекунд. На расстоянии в 25 тысяч световых лет от Земли, где находится центр галактики, это соответствует всего 50 миллионам километров, что втрое меньше расстояния от Земли до Солнца. Именно с таким разрешением астрономы и смогли пронаблюдать нашу центральную чёрную дыру, а точнее - загадочный источник радиоизлучения Стрелец A*, или Sgr A*, который неизменно связывают с чёрной дырой последние несколько десятилетий.
У миллиметровых радиоволн есть ещё одно преимущество - их меньше замывают неоднородности ионизованной межзвёздной среды, через которые идут радиоволны. Для длины волны в 1,3 миллиметра это размытие составляет 20 угловых микросекунд, а для сантиметровых - уже тысячу с лишним. Понятно, что увидеть объект размером 50 угловых микросекунд на сантиметровых радиоволнах нельзя. Собственно, у Доулмана и его коллег «увидеть», создать изображение Sgr A* не получилось.
То, что многие поспешили объявить «портретом» чёрной дыры, - не более чем рисунок.
 Модель чёрной дыры в центре нашей Галактики, а также аккреционного диска падающего на неё и джетов выбрасываемого из её окрестностей вещества. На врезе показано, как должна выглядеть центральная область при хорошем разрешении. Детали этого изображения должны существенно и нетривиальным образом зависеть от ориентации аккреционного диска и углового момента самой чёрной дыры. Разрешение, достигнутое в нынешней работе, представлено оранжевым кружком. Оно уже не допускает существования объекта необходимой по кинематическим данным массы без горизонта событий. // MIT/Shep Doeleman/NASA/CXC/M.Weiss/JHU/S.Noble/ U.Illinois/C.Gammie
Пытаться восстановить настоящее изображение радиоисточника в данном случае - дело безнадёжное, поскольку данных с трёх плеч интерферометра, в одном из которых к тому же не удалось зафиксировать вменяемого сигнала, - недостаточно.
Однако учёным удалось показать, что источник радиоволн Sgr A* размерами меньше, чем 40 миллионов километров, а с учётом распухания его видимых размеров благодаря искривлению лучей истинный размер должен быть меньше 20-25 миллионов километров.
Это означает, что здесь не может прятаться какой-то светящийся объект без горизонта событий.
Масса Sgr A* точно измерена по движению звёзд в его окрестностях, но у продолжающих отказывать чёрным дырам в праве на существование скептиков оставалась уйма экзотических вариантов, способных объяснить природу этого объекта. Это могли быть кварковые звёзды, какие-нибудь массивные образования из бозонов - частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий, просто очень тесное скопление радиоисточников.
Теперь эти варианты исключены, поскольку все такие объекты должны быть больше, чем чёрная дыра. Только она может заставить светиться что-то в своих окрестностях - например, те же акрецционный диск или джеты - и при этом спрятать основную массу в темноте, за горизонтом событий, из-под которого не пробивается свет. Чтобы отрицать существование чёрной дыры в центре нашей галактики теперь, придётся серьёзно пересмотреть современные представления о гравитации, причин чему пока не видится.
Теперь, когда дверь в РСДБ-исследования центра Млечного пути открыта, астрономы с нетерпением ждут появления настоящих изображений с помощью ещё более коротких радиоволн.
По этим «фотографиям» можно будет понять, как крутятся чёрная дыра и само пространство-время рядом с ней, поскольку от параметров вращения сильно зависит, как искривляются лучи света в окрестностях чёрной дыры, которые и создают итоговое изображение.
А вот уже по скорости вращения можно будет узнать, как росла чёрная дыра, чем и как долго она питалась, откуда пришло то вещество, из которого она теперь состоит. История всей нашей галактики и её центральной чёрной дыры связаны воедино, так что наблюдая далёкого монстра, мы изучаем своё собственное прошлое.
Если исключить вариант с изменением законов гравитации в таких масштабах, то из существования минимальной массы галактик может сделать два альтернативных вывода.
Либо в скоплениях тёмной материи меньших масс не образуются звёзды, и эти «галактики» так и остаются тёмными, либо сгустков тёмной материи легче 10 миллионов солнечных масс просто нет.
И тот, и другой вариант, с точки зрения современной физики, не исключены и грубо соответствуют теориям так называемых холодной и тёплой тёмной материи. (Последнюю не надо путать с горячей тёмной материей, от которой учёные отказались в 80-90-х годах прошлого века.)
Теория холодной тёмной материи предполагает, что частицы, её составляющие, достаточно массивны и движутся с очень небольшими скоростями. Такая тёмная материя может образовывать сгустки самых разных масс, причём происходит это последовательно и иерархически. Сначала образуются микрогало, масса которых меньше земной, потом они собираются в кучки, те - в группы и так далее вплоть до масс карликовых галактик. Карликовые галактики, притянув на себя газ из обычного вещества, собираются в галактики полноценные, те за миллиарды лет сливаются в гигантские спиральные образования вроде Млечного пути или Туманности Андромеды, а эти гиганты уже сливаются в массивные эллиптические галактики, вокруг которых к тому времени уже скапливаются огромные скопления галактик.
Тот факт, что мы не видим галактик массой менее 107 солнечных масс, с точки зрения этой теории, означает, что для запуска процесса звёздообразования необходимо набрать не меньшее количество массы в пределах одного сгустка тёмной материи. Такое объяснение очень хорошо согласуется с другим наблюдательным фактом: первые звёзды в нашей Вселенной возникли, судя по всему, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, давшего ей начало. До этого момента наш мир наполнял по большей части нейтральный водород, а после атомы в межгалактическом пространстве распались на отдельные ядра и электроны - как говорят астрономы, произошла реионизация.
И именно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, в соответствии с теорией холодной тёмной материи, должны были появиться первые сгустки материи массой в 10 миллионов масс Солнца (точнее, определённой плотности, смотрите выше). Тем не менее, такое совпадение нельзя воспринимать, как прямое подтверждение варианта с холодной тёмной материей. Во-первых, никто не гарантирует, что реионизацию вызвали именно звёзды, а не квазары, к примеру. Кроме того, чтобы уверенно говорить о чём-то в данном случае, неплохо бы сначала всё-таки понять, почему для появления звёзд нужны именно сгустки в 10 миллионов раз массивнее Солнца.
Для «тёплой» тёмной материи наличие минимальной массы - прямое следствие из теории.
В этом случае предполагается, что тёмную материю образуют относительно лёгкие частицы, движущиеся с большими скоростями. Их быстрое движение просто не позволяет создавать стабильные сгустки небольших размеров - частицы проскакивают их быстрее, чем успевают почувствовать притяжение друг друга. При этом теория даёт чёткое соотношение между минимальной массой стабильных сгустков и массами отдельных частиц. Значению 107 масс Солнца соответствуют частицы с энергией покоя в несколько кэВ, то есть в сотню-другую раз легче электрона.
Как искать такие частицы в лаборатории - пока никто не знает. Учёные надеются увидеть следы появления частиц тёмной материи в данных, которые получит Большой адронный коллайдер (LHC), старт которого
Не в пользу теории тёплой материи и предварительные результаты эксперимента PAMELA на борту Международной космической станции.
Уже не первую неделю астрофизиков будоражат слухи, что этому прибору удалось найти избыток позитронов в составе первичных космических лучей. Наиболее естественное объяснение такому избытку - распад или аннигиляция частиц тёмной материи в центре нашей галактики, конечным итогом которого является образование электронов и позитронов. Поскольку электроны в сотни раз массивнее предполагаемых частиц тёплой тёмной материи, образовываться из последних они не могут. Тем не менее, слухи об этих результатах остаются слухами, и из конференции в конференцию демонстрируя слайды, на которых виден этот избыток, авторы международного эксперимента отказываются что-либо публиковать.
По современным представлениям, крупные современные галактики выросли за счёт слияния более мелких предшественников. Вместе с ними росли и их центральные чёрные дыры - центральная дыра маленькой галактики, попадая в галактику побольше, быстро сваливается в её центр за счёт того же динамического трения, где образует двойную систему из чёрных дыр, которая рано или поздно сольётся.
На этот сценарий указывает множество косвенных признаков. Наверное, самый главный из них - это удивительная корреляция между свойствами звёзд в центрах галактик и свойствами центральной чёрной дыры. Например, очень хорошо соответствуют друг другу масса чёрной дыры (а других свойств у чёрных дыр раз два и обчёлся) и средняя скорость, с которой «роятся» звёзды в центрах галактик - даже если её измерять на расстояниях, где влияние центральной чёрной дыры почти незаметно.
Тем не менее прямых доказательств, что именно так оно всё и было, нет, и астрономы постоянно стремятся изучить как можно больше чёрных дыр.
Один из самых любимых объектов их внимания - сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей собственной Галактики, Млечного пути.
Хотя по меркам сверхмассивных дыр, она не так велика - примерно 3,5-4 миллиона масс Солнца, зато находится она ближе других монстров - всего в 25 тысячах световых лет от нас, в направлении созвездия Стрельца. Первыми этот объект около полувека назад обнаружили радиоастрономы, и данное ими название - Стрелец A*, Sgr A* - так и прижилось.
Наш монстр также растёт за счёт поглощения окружающего вещества, притом растёт сравнительно медленно. Несложно оценить, что если за миллиарды лет на звёздно-газовой диете он вырос всего до 4 миллионов масс Солнца, звёзды в сферу его влияния попадаются не часто - раз в несколько тысяч, а то и десятков тысяч лет. Однако звезду чёрная дыра не проглатывает целиком, а разрывает на части и долго высасывает газ из образующегося вокруг неё так называемого аккреционного диска. К тому же в центрах галактик и без звёзд достаточно газа, который тоже может питать диск.
Поскольку сами чёрные дыры наблюдать очень трудно - они потому и чёрные, что не светятся, то всё обилие выводов об их свойствах астрономам приходится делать, изучая свет аккреционных дисков и его вариации. И как ни удивительно, они умеют делать правильные выводы. Помогают в этом хорошее понимание физики газа и плазмы, математическое моделирование происходящих в газовом диске процессов и использование информации во всех доступных наблюдениям участках электромагнитного спектра.
Именно поэтому астрономы из Европы и США начали программу координированных наблюдений объекта Sgr A* с помощью инфракрасной и субмиллиметровой аппаратуры двух крупных телескопов, установленных в Чили,и прошлым летом поймали яркую вспышку от объекта сразу в обоих диапазонах.
Наблюдения в ближней инфракрасной области вёл «Йепун» - четвёртый телескоп квартета «Очень больших телескопов» (VLT) на горе Паранал, имя которого на языке чилийских индейцев означает «Венера». Субмиллиметровые наблюдения вела аппаратура радиотелескопа APEX, смонтированного в сухой пустыне Атакама.
В ночь на 3 июня 2008 года учёные проводили плановые исследования Sgr A* с помощью VLT, когда заметили, что его блеск начался резко увеличиваться. По словам аспиранта германского Кёльнского университета Гюнтера Витцеля, сидевшего в это время на башне «Йепуна», он тут же позвонил своим коллегам на радиотелескопе. Болометры субмиллиметрового диапазона APEX'а участники проекта держали «под парами», позволяя другим учёным исследовать интересующие их объекты с помощью других приборов, однако как только пришёл сигнал с VLT, тем пришлось посторониться.
В итоге учёные прописали кривые блеска вспышки на длинах волн 2,2, 3,8 и 870 микрон с разрешением всего в несколько минут, впервые добившись одновременного и настолько качественного покрытия события этими двумя инструментами. Наблюдения на «Йепуне» продолжались до утра - почти шесть часов, в течение которых за первой яркой инфракрасной вспышкой последовали ещё три вспышки поскромнее. Похожие вспышки учёные зафиксировали и в субмиллиметровом диапазоне.
И хотя о структуре радиовспышек учёные говорят менее уверенно, им удалось измерить задержку между вспышками в ИК- и радиодиапазонах, которая составила примерно полтора часа.
Этих данных оказалось достаточно, чтобы смоделировать подробности события, произошедшего в центре Галактики, утверждают астрономы, работа которых принята к публикации в европейском журнале Astronomy & Astrophysics.
По мнению учёных под руководством Адриана Экарта, руководившего проектом, вспышка, которую мы увидели, - это синхротронное свечение облака электронного газа, расширяющегося вместе с вмороженным в него магнитным полем. Бешено вращаясь вдоль линий магнитной индукции, электроны излучают свет, характерная энергия которого падает со временем, так как при расширении облака падает и магнитное поле, и плотность электронов. Именно поэтому мы видим вспышку сначала в ближнем инфракрасном диапазоне и лишь потом - в субмиллиметровых волнах, энергия которых в сотни раз меньше.
Модель излучения, которую построили Экарт и его коллеги, достаточно простая, если не сказать примитивная. Предполагается, что расширение облака происходит равномерно во все стороны, а никакого обмена энергией с внешним миром не происходит - несмотря на то, что энергию, излучённую при вспышке, зафиксировали даже земные телескопы.
Тем не менее она на удивление хорошо описывает наблюдательные данные.
Учёные полагают, что причина тому - в прозрачности облака, или, как говорят астрономы, низкой оптической толще излучающего вещества, позволяющей пренебречь этими эффектами. Если бы нам удалось непосредственно наблюдать оптически тонкое облако, то мы бы увидели не плотный молочный туман, в который упираются фары автомобиля, а скорее тонкий сигаретный дым, подсвеченный фонариком. запланирован наступающей осенью. Тем не менее, он скорее «заточен» под тяжёлые элементы холодной тёмной материи, чем под лёгкие элементы тёплой. Так что там скорее удастся найти подтверждение холодной теории, которая, кстати, до сих пор остаётся общепринятой.
Возможный внешний вид ярко светящегося облачка электронов, расширяющегося при своём вращении вокруг чёрной дыры. На самом деле, рисунок, созданный художником Европейской южной обсерватории для иллюстрации описанной работы, во-первых, неправильный, а во-вторых, вряд ли может иметь к ней отношение. Он неправильный потому, что диск выглядит плоским до самой чёрной дыры - «пустоты» в его центре, в то время как сильное гравитационное поле приводит к так называемому сверхсильному гравитационному линзированию, существенно искажающему вид диска в окрестностях чёрной дыры. Он не может иметь отношение к этой работе, потому что случись вспышка так близко к чёрной дыре, облако бы крутилось вокруг неё с периодом в несколько минут и со скоростью в десятки процентов скорости света, что неминуемо отразилось бы на кривой её блеска. Тем не менее, рисунок неплохо передаёт понятие оптически тонкого газа. // L.Calзada/ESO
Хотя происхождение такого облачка совсем не ясно, характерное время задержки позволило определить его физические параметры. Учёные полагают, что его исходный размер составлял порядка 10 миллионов километров - это размер самой сверхмассивной чёрной дыры, а расширялось оно со скоростью примерно 1 500 км/с или 5 миллионов км/ч. Хотя она и может показаться большой, на деле это в сотню раз меньше характерных скоростей вращения вещества в непосредственной окрестности чёрной дыры, достигающей примерно половины скорости света.
А вот где именно произошла вспышка, сказать сложно.
Давшее её расширяющееся облако могло находиться достаточно далеко от чёрной дыры, на внешних границах аккреционного диска. В этом случае неравномерное вращение диска (внутренние области крутятся быстрее внешних) могло быть одной из причин расширения облачка. Впрочем, в этом случае предположение о равномерном во все стороны его расползании кажется странным.
Не исключено и то, что облачко возникло в непосредственной близости к чёрной дыре, пишут учёные. Впрочем, в этом случае весь их анализ нуждается в пересмотре, так как запутанные сильнейшим гравитационным полем световые лучи всегда показывают совсем не ту картину, что имеет место в действительности.
Артем Тунцов
Gazeta.ru
Коментарий: Я хотел бы обратить внимание на автора данной статьи (если быть более точным, то в даннолм случае, авторе нескольких статей, которые я объединил в одну). Возможно, в России появился талантливый ученый и популяризатор в области астрофизики. Это во-первых.
Во-вторых, ученые начинает выдвигать гипотезы о "прожорливости" черных дыр, в терминах близких к тем, которые были высказаны представителями фонда.Формулировки в высказываниях отличаются тем, что ученые выдвигают гипотезы, не понимая механизма поглащения черными дырами энергии, а Peterson с Voderman, говорили, как о известных им фактах, с которыми они уже сталкивались, и они знают причины такого поглащения.
Конечно, сказать может каждый, что угодно, но сказанные в нужное время, в нужносм месте, нужным кроманьонцам, слова разительно совпадают с теми гипотезами, которые создают ученые.
Рейтинг публикации:
|
