Сегодня все знают, что в центре Млечного Пути находится объект Стрелец А*. Он представляет собой сверхмассивную черную дыру, окруженную аккреционным диском. Но что расположено вокруг него и как все это связано с остальной Галактикой?
Где находится центр Галактики
Галактика Млечный Путь, частью которой является Солнечная система — это гигантское скопление звезд, их планет, газа и пыли, состоящее из относительно плотного диска диаметром около 100 тыс. св. лет и близкого к сферическому гало — значительно более разреженной оболочки, внутри которой этот диск со всеми своими спиралями и находится.
Логично возникает вопрос: а что находится в центре Галактики? Сейчас мы знаем, что там можно найти черную дыру Стрелец А*, масса которой в 4,3 млн раз больше солнечной. Однако она является лишь частью сложной картины центра Млечного Пути, которую ученые постепенно раскрывали в течение последних десятилетий.
Еще в 1918 году астроном Харлоу Шепли проанализировал движение шарообразных скоплений, которые находятся в гало нашей Галактики. Эти гигантские древние кластеры подсказали ему, что центр системы, частью которой они являются, должен находиться в направлении созвездия Стрельца. Еще через несколько лет, когда ученые вычислили истинные размеры Млечного, пути стало понятно, что расстояние до центра составляет 26 тыс. световых лет.
И уже тогда было понятно, что центра Галактики земные наблюдатели не увидят. В этом каждый может убедиться самостоятельно, если очень ясной ночью выедет за пределы города и попытается найти на небе полосу Млечного Пути там, где она проходит сквозь созвездие Стрельца. Можно заметить, что в определенном месте она как бы расщепляется надвое.
Это — темные газопылевые облака. Именно они не дают людям полюбоваться центром Млечного Пути. И это очень расстроило астрономов начала XX века. Ведь где-то за ними должны были скрываться звезды балджа — центральной выпуклости, которая хорошо была видна в других звездных системах, но как она выглядит в нашей собственной — никто не знал.
К счастью, в середине 1940-х Вальтер Бааде нашел вблизи от звезды Гамма Стрельца участок, где пыль и газ были не такими плотными. Это было своеобразное окно, которое позволило увидеть звезды балджа. По современным представлениям он близок по форме к сплюснутой сфере с наибольшим диаметром около 9500 св. лет. Это меньше, чем 10% от диаметра самого Млечного Пути, но все равно огромный объем пространства. Как в нем найти самый центр и увидеть, что там?
Приближаясь к черной дыре
В середине ХХ века астрономы уже знали, что заглянуть сквозь такие плотные облака можно, если использовать для наблюдений инфракрасный и радиодиапазон. Именно в последнем в 1960 году был обнаружен мощный источник излучения, известный сейчас как Стрелец А. При этом он находился практически там, где должен был быть центр вращения Галактики.
В 1968 году инфракрасные исследования позволили обнаружить, что и в этом диапазоне в указанном месте находится источник излучения, причем он имеет сложную структуру. Есть небольшая компактная область, точечный источник излучения, нечто похожее на большую диффузную оболочку вокруг всего этого и еще несколько точечных источников излучения.
К началу 1970-х стало известно, что и в радиодиапазоне центральный объект имеет схожие размеры — чуть меньше одного светового года. При этом в сферу такого радиуса была втиснута гигантская масса — по разным оценкам, от 3 до 4 млн солнечных. Что бы это могло быть?
Примерно тот же вопрос тогда был у исследователей, изучавших другие галактики. Все указывало на то, что Млечный Путь должен быть похожим на них, поэтому и в центре у них должно быть то же самое. И всюду в этом месте плотность вещества стремительно росла.
Исследования середины 1970-х показали, что рядом с центром Галактики присутствуют два десятка источников инфракрасного излучения. Они преимущественно представляют собой облака ионизированного водорода и планетарные туманности. Непосредственно же рядом с таинственным массивным объектом обнаружили целое скопление молодых горячих звезд. Это было неожиданно, потому что никто не ожидал увидеть там область звездообразования.
В конце 1980-х мало кто из астрономов сомневался, что в центре каждой крупной галактики находится сверхмассивная черная дыра. Но точность наблюдений все еще не позволяла окончательно отвергнуть некоторые альтернативные версии, такие как гигантская квазизвезда или чрезвычайно плотное скопление сверхгигантов.
Только в 1990-х годах новое поколение инструментов поставило точку в этой истории, позволив определить орбиты звезд, находящихся непосредственно в самом скоплении, которое получило название S-кластера. Стало очевидно, что они на огромной скорости вращаются вокруг какого-то невидимого на снимках объекта. Он мог быть лишь черной дырой.
Как выглядит центр галактики по современным представлениям
В целом центр Галактики выглядит следующим образом. Черная дыра Стрелец А* имеет массу в 4,3 млн солнечных. Что касается ее радиуса, то наблюдения показывают, что он не может быть больше 44 млн км, то есть меньше, чем орбита Меркурия. При этом согласно теории относительности он вообще должен быть около 12,7 млн км.
Современные исследования показывают, что Стрелец А* вращается со скоростью 60% от максимально возможной. Немалую скорость также имеет вещество в аккреционном диске. Правда, какой размер имеет последний, точно никто не знает. Минимальная оценка радиуса составляет 0,492 а.е., то есть примерно 75 млн км, или половину расстояния от Земли до Солнца. Максимально возможный радиус области радиоизлучения составляет 45 а.е. Однако неизвестно, весь ли этот объем занимает диск, или туда входят и джеты выброшенного вещества.
Аккреционный диск Стрельца А* невероятно пассивен по сравнению с другими подобными объектами, и ученые хотели бы узнать, почему. В 2013 году у них была возможность узнать об этом больше. Тогда к черной дыре на расстояние всего в 260 а.е. (то есть примерно вдвое дальше, чем нынешнее расстояние от Земли до аппарата Voyager) приблизилось газовое облако G2.
Ожидалось, что с ним что-то должно произойти, например, разрыв и вливание в аккреционный диск, но ничего подобного не произошло. В целом ученые обнаружили в радиусе нескольких сотен астрономических единиц вокруг Стрельца А* еще четыре таких объекта, и существует предположение, что на самом деле они представляют собой двойные звезды, находящиеся в процессе слияния.
Вообще же светила S-кластера приближаются к черной дыре регулярно, ведь имеют период вращения меньше, чем 100 лет. Некоторые из них подходят на расстояние, на котором уже могли бы пересекать аккреционный диск, и приобретают в перицентре скорость, составляющую несколько процентов от световой.
Рекордсменом здесь является звезда S4714. Она приближается к черной дыре на расстояние 12,6 а.е. Это ближе, чем расстояние от Солнца до Урана. При этом в ближайшей к Стрельцу А* точке она разгоняется вплоть до 8% скорости света. А вообще на расстоянии до 1 парсека от Стрельца А* (а это ближе, чем Проксима Центавра от Земли) находится по крайней мере 6000 звезд.
На расстоянии примерно 15 парсек, то есть 50 св. лет, вокруг Стрельца А* находится пылевое кольцо, в котором происходят какие-то пока не до конца понятные вспышки. Пространство между ним и сверхмассивной черной дырой также заполнено звездами, и, возможно, там также есть немало черных дыр звездной массы. По крайней мере рентгеновский телескоп Chandra нашел в этом небольшом районе космоса аж 12 источников рентгеновского излучения, которые должны быть двойными системами, содержащими их. Таким образом, количество объектов, которые вообще никак не взаимодействуют с окружающей средой и поэтому невидимы для нас, должно быть гораздо больше.
Кроме того, на расстоянии нескольких сотен световых лет от центра Галактики находятся три кандидата в черные дыры промежуточной массы. Эти объекты формируются в результате слияния черных дыр звездных масс, которые остались в результате вспышек сверхновых. Такие промежуточные черные дыры имеют массу в сотни и тысячи раз больше солнечной. Однако открыто их пока совсем немного.
На расстоянии в 700 св. лет от Стрельца А* находится еще одно газовое кольцо, в котором происходят процессы звездообразования. Однако в нем материя расположена очень неравномерно. Значительная ее доля приходится на гигантское облако Стрелец В2. Здесь, в сфере радиусом около 100 св. лет, сосредоточена масса в 3 млн раз больше солнечной.
В целом центральная область Млечного Пути представляет собой огромный комплекс из газовых облаков, звезд-гигантов, которые все время из них образуются, и остатков сверхновых, в виде которых они довольно быстро, по космическим меркам, заканчивают свою жизнь, все это на бешеной скорости вращается вокруг относительно небольшой и спокойной черной дыры.
Однако, вполне возможно, что все это мы наблюдаем в «мирный» период существования центра Млечного Пути. Наблюдения за другими галактиками дают основание полагать, что если Стрелец А* начнет активно «глотать» вещество, то мы еще увидим фейерверк во всех частях электромагнитного спектра.
