Наша чёрная дыра потяжелела

Испокон веков предмет, который изучает наука астрономия, считался чем-то вечным и неизменным. Конечно, Солнце всходит и садится, Луна меняет свои фазы, а планеты медленно перемещаются среди звёзд. Но сами звёзды находятся так далеко от нас, что заметить их движение на небе не то что за время человеческой жизни, но и на протяжении существования всей человеческой цивилизации шансов нет. Древние и даже средневековые астрономы так и говорили – сфера неподвижных звёзд – а заметить смещение светил друг относительно друга удалось лишь в XIX веке. И это были самые близкие объекты за пределами Солнечной системы.

Заметить вращение звёзд вокруг центра Галактики – дело, кажется, вообще безнадёжное. Солнце обегает по своей орбите вокруг галактического центра за 200 с лишним миллионов лет – в нынешней точке своей орбиты оно последний раз было в самом начале мезозоя.

Поэтому достижение команды астрофизиков из Германии, США, Израиля и Франции поражает:

им удалось «вживую» увидеть, как звёзды обращаются вокруг сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре нашей Галактики.

Учёные проследили орбиты 28 звёзд, а одна из них с момента начала наблюдений в 1992 году даже успела совершить полный оборот вокруг тёмного монстра. Собственно, именно свойства последнего, которого астрономы отождествляют с источником радиоизлучения Стрелец A^* (Sgr A^*), и интересовали авторов работы.

Штефан Гиллессен и Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества имени Макса Планка под Мюнхеном решили использовать звёзды в качестве «засланцев» в окрестности чёрной дыры – зондов, по движению которых можно определить гравитационное поле невидимого объекта. Это ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра, и её мы можем разглядеть наиболее подробно, так что именно на этом примере астрономы надеются понять астрофизические свойства таких объектов и проверить применимость эйнштейновской общей теории относительности в сверхсильных полях тяготения.

Разглядеть центральную часть нашей Галактики не так сложно даже невооружённым взглядом. Если в летнюю ночь проследить Млечный путь до южного горизонта, то на тёмном небе, вдали от городов и посёлков, в нём можно заметить так называемое облако Стрельца – довольно яркое утолщение, пересечённое тянущейся ещё от созвездия Лебедя тёмной полосой межзвёздной пыли. Именно за этой полосой в Стрельце находится точка, вокруг которой вращаются все звёзды, что можно заметить на небе, включая и Солнце.

Однако эта пыль, так удобно указывающая направление на галактический центр, делает невозможными его наблюдения в оптическом диапазоне – из каждого триллиона квантов видимого света, испущенного звёздами в окрестностях чёрной дыры, до Земли доходит лишь один. Поскольку находится чёрная дыра на расстоянии примерно в 27 тысяч световых лет, все объекты за занавесью пыли светят так, будто находятся и вовсе на границе наблюдаемой Вселенной. А увидеть свет единственной звезды из далёкой галактики невозможно даже в самый крупный телескоп, существующий на планете или даже в мечтах астрономов.

К счастью, в ближнем инфракрасном диапазоне спектра пыль практически прозрачна.

Именно здесь сосредоточили свои усилия авторы работы, принятой к публикации в Astrophysical Journal и доступной в архиве электронных препринтов Корнельского университета. Исследования галактического центра Райнхард Генцель начал ещё в 1992 году с помощью 3,6-метрового Телескопа новых технологии (NTT) Европейской южной обсерватории на горе Ла-Силла в Чили. Позднее учёные переместились на другую чилийскую гору – Паранал, где в начале XXI века вступил в строй «Йепун» – последний из четырёх исполинов VLT с диаметром главного зеркала 8,2 метра каждое.

Однако даже очень большого телескопа (а именно так, Very Large Telescope, раскрывается акроним VLT) недостаточно, чтобы заметить отдельные звёзды в районе галактического центра. Хотя астрономы поднимаются на высокие горы, это до конца не спасает их приборы от влияния атмосферы, неоднородности которой сильно портят изображения. Против такого размывания снимков учёным пришлось применить два приёма. На телескопе «Йепун» они использовали систему современной адаптивной оптики (см. врез), а на NTT работал уходящий сейчас в прошлое метод так называемой спекл-интерферометрии, комбинирующей чёткие кадры из тысяч мгновенных снимков, которые уже после экспозиции смещают и подстраивают друг под друга.

На чётких изображениях, полученных такими сложными способами, положения звёзд удалось измерять с точностью до сотых и тысячных долей угловой секунды – это всё равно, что из Москвы читать надписи на копеечной монете, которую кто-то обронил в Сочи. Помимо положения на небе учёные измеряли и компоненту скорости, с которой звезда приближается или удаляется от нас. Это позволило воссоздать полноценную трёхмерную орбиту большинства из звёзд в центре Галактики.

Ещё в 2002 году была опубликована работа, в которой Генцель и его коллеги сообщили о построении первой такой орбиты. Звезда S2 (литерой S обозначаются соседки Sgr A^*, находящиеся на небе в пределах одной угловой секунды) за десять лет наблюдений успела пролететь в непосредственной близости от центрального объекта, проскользнув от него в скромных по астрономическим меркам 20 миллиардах километров (около 140 а. е., расстояний от Земли до Солнца).

Всего одной орбиты оказалось тогда достаточно, чтобы развеять последние сомнения в существовании в центре нашей Галактики сверхмассивной чёрной дыры и измерить её массу. Результат шестилетней давности – 3,7 миллионов масс Солнца с характерной ошибкой в 1,5 миллиона солнечных масс, или 40%.

В новой работе чётко определённых орбит уже 28 и точность определения массы достигла 1,5%. А знаменитая S2 за это время даже успела завершить свой оборот вокруг центрального объекта.

Новая оценка массы – 4,3 миллиона масс Солнца, её неопределённость – всего 60 тысяч солнечных масс.

Правда, эта величина вычислена для конкретного значения расстояния от Земли до галактического центра – 27,2 тысячи световых лет. Знать этот параметр необходимо, чтобы перевести угловые микросекунды перемещений звёзд на небе в те миллиарды километров, что входят в физические законы, из которых оценивается масса. Но выяснить расстояние до центра Галактики изнутри очень сложно – это всё равно, что измерять дистанцию от своего дома до центра города, сидя в квартире, да ещё и за мутным и пыльным стеклом. Неопределённость галактического параметра – минимум 4%, из-за чего характерная неточность в определении массы центральной чёрной дыры возрастает уже до 10%. Впрочем, если измерить расстояние до центра Млечного пути, удастся точно измерить каким-то независимым способом (например, той же радиоинтерферометрией), определение массы Sgr A^* тут же станет куда более уверенным.

Трёхмерная модель движения звёзд вокруг галактического центра позволяет выяснить и подробности устройства самого сердца нашей звёздной системы. По данным Гиллессена и Генцеля, большинство ближайших к Sgr A^* звёзд движутся округлым роем без какой-то выделенной ориентации орбит. И лишь шесть массивных и очень горячих светил, расположенных немножко поодаль от чёрной дыры, явно образуют маленькое семейство – все они крутятся примерно в одной и той же плоскости и по часовой стрелке (если глядеть на небо). Движение всех этих звёзд также позволяет заключить, что у сверхмассивной чёрной дыры нет напарниц – по крайней мере, тяжелее нескольких десятков масс Солнца.

По словам Райнхарда Генцеля, теперь,

после 16 лет работы на звёзды в центре Галактики, пришла пора и звёздам поработать на астрономов.

«Теперь мы хотим с ними поиграть – пусть они расскажут нам о свойствах чёрной дыры», – говорит немецкий астроном.

Для этого учёные намерены ещё точнее промерить движение звёзд, для чего собираются использовать уже все четыре телескопа-близнеца VLT на горе Паранал. Когда астрономы сводят их свет вместе, получается что-то вроде единого телескопа размером под сотню метров. Такой прибор, надеются Генцель и его коллеги, позволит разглядеть уже саму «поверхность» чёрной дыры. Вернее, доказать, что, как и положено чёрной дыре, никакой поверхности у неё нет.