Сьогодні всі знають, що в центрі нашої Галактики — об’єкт Стрілець А*. Він являє собою надмасивну чорну діру, оточену акреційним диском. Але що розташоване навколо нього і як усе це пов’язане з рештою Чумацького Шляху?
Де розташований центр Галактики
Галактика Чумацький Шлях, частиною якої є Сонячна система, — це велетенське скупчення зір, їхніх планет, газу та пилу, що складається з відносно щільного диска діаметром близько 100 тис. св. років та близького до сферичного гало — значно розрідженішої оболонки, всередині якої цей диск з усіма своїми спіралями й розташований.
Логічно виникає питання: а що ж міститься в центрі Галактики? Зараз ми знаємо, що там можна знайти чорну діру Стрілець А*, маса якої у 4,3 млн разів більша за сонячну. Проте вона є лише частиною складної картини центру Чумацького Шляху, яку вчені поступово розкривали протягом останніх десятиліть.
Ще 1918 року астроном Гарлоу Шеплі проаналізував рух кулястих скупчень, розташованих у гало нашої Галактики. Ці гігантські стародавні кластери підказали йому, що центр системи, частиною якої вони є, має бути в напрямку сузір’я Стрільця. Ще за кілька років, коли вчені обчислили справжні розміри Чумацького Шляху, стало зрозуміло, що відстань до центру складає 26 тис. світлових років.
І вже тоді було зрозуміло, що центра Галактики земні спостерігачі не побачать. У цьому кожен може переконатися самостійно, якщо дуже ясної ночі виїде за межі міста і спробує знайти на небі смугу Чумацького Шляху там, де вона проходить крізь сузір’я Стрільця. Можна помітити, що в певному місці вона ніби розщеплюється надвоє.
Це — темні газопилові хмари. Саме вони не дають людям помилуватися центром Чумацького Шляху. І це дуже засмутило астрономів початку XX століття. Адже десь за ними мали ховатися зорі балджу — центральної опуклості, яку добре було видно в інших зоряних системах, але як вона у нашій власній — ніхто не знав.
На щастя, в середині 1940-х Вальтер Бааде знайшов поблизу від зорі Гамма Стрільця ділянку, де пил та газ були не такими щільними. Це було своєрідне вікно, яке дозволило побачити зорі балджу. За сучасними уявленнями, він близький за формою до сплюснутої сфери з найбільшим діаметром близько 9500 св. років. Це менше, ніж 10% від діаметра самого Чумацького Шляху, але все одно величезний об’єм простору. Як у ньому знайти самісінький центр і побачити, що там?
Наближаючись до чорної діри
У середині ХХ століття астрономи вже знали, що зазирнути крізь такі щільні хмари можна, якщо використовувати для спостережень інфрачервоний і радіодіапазон. Саме в останньому 1960 року виявили потужне джерело випромінювання, відоме зараз як Стрілець А. При цьому воно містилося практично там, де мав бути центр обертання Галактики.
У 1968 році інфрачервоні дослідження дозволили виявити, що і в цьому діапазоні у вказаному місці є джерело випромінювання, причому воно має складну структуру. Є невелика компактна область, точкове джерело випромінювання, щось схоже на велику дифузну оболонку навколо всього цього і ще кілька точкових джерел випромінювання.
До початку 1970-х стало відомо, що й у радіодіапазоні центральний об’єкт має схожі розміри — трохи менше одного світлового року. При цьому в сферу такого радіуса була втиснута велетенська маса — за різними оцінками, від 3 до 4 млн сонячних. Що б це могло бути?
Приблизно те саме питання тоді було у дослідників, що вивчали інші галактики. Усе вказувало на те, що Чумацький Шлях має бути схожим на них, тож і у центрі в них має бути те саме. І всюди в цьому місці густина речовини стрімко зростала.
Дослідження середини 1970-х показали, що поруч із центром Галактики присутні два десятки джерел інфрачервоного випромінювання. Вони переважно являють собою хмари іонізованого водню та планетарні туманності. Безпосередньо ж поруч із таємничим масивним об’єктом виявили ціле скупчення молодих гарячих зір. Це було несподівано, бо ніхто не очікував побачити там область зореутворення.
Наприкінці 1980-х мало хто з астрономів сумнівався, що в центрі кожної великої галактики розташована надмасивна чорна діра. Але точність спостережень все ще не дозволяла остаточно відкинути деякі альтернативні версії, такі як велетенська квазізоря чи надзвичайно щільне скупчення надгігантів.
Тільки у 1990-х нове покоління інструментів поставило крапку в цій історії, дозволивши визначити орбіти зір, що розташовані безпосередньо в самому скупченні, яке отримало назву S-кластера. Стало очевидно, що вони на величезній швидкості обертаються навколо якогось невидимого на знімках об’єкта. Він міг бути лише чорною дірою.
Який вигляд має центр Галактики за сучасними уявленнями
Чорна діра Стрілець А* має масу в 4,3 млн сонячних. Щодо її радіуса, то спостереження показують, що він не може бути більшим за 44 млн км, тобто є меншим, ніж орбіта Меркурія. При цьому, згідно з теорією відносності, він взагалі має бути близько 12,7 млн км.
Сучасні дослідження показують, що Стрілець А* обертається зі швидкістю 60% від максимально можливої. Чималу швидкість також має речовина в акреційному диску. Щоправда, який розмір має останній, достеменно ніхто не знає. Мінімальна оцінка радіуса складає 0,492 а.о, тобто приблизно 75 млн км, або половину відстані від Землі до Сонця. Максимально можливий радіус області радіовипромінювання складає 45 а.о. Однак невідомо, чи увесь цей об’єм займає диск, чи туди входять і джети викинутої речовини.
Акреційний диск Стрільця А* неймовірно пасивний у порівнянні з іншими подібними об’єктами, й науковці хотіли б дізнатися, чому. У 2013 році у них була можливість дізнатися про це більше. Тоді до чорної діри на відстань усього у 260 а.о. (тобто приблизно вдвічі далі, ніж теперішня відстань від Землі до апарата Voyager) наблизилася газова хмара G2.
Очікувалося, що з ним щось має статися, наприклад, розрив і вливання в акреційний диск, але нічого подібного не сталося. Загалом вчені виявили в радіусі кількох сотень астрономічних одиниць навколо Стрільця А* ще чотири такі об’єкти, й існує припущення, що насправді вони являють собою подвійні зорі, що перебувають у процесі злиття.
Взагалі ж світила S-кластера наближаються до чорної діри регулярно, адже мають період обертання менше, ніж 100 років. Деякі з них підходять на відстань, на якій уже могли б перетинати акреційний диск, і набувають у перицентрі швидкості, що становить кілька відсотків від світлової.
Рекордсменкою тут є зоря S4714. Вона наближається до чорної діри на відстань 12,6 а.о. Це ближче, ніж відстань від Сонця до Урана. При цьому в найближчій до Стрільця А* точці вона розганяється аж до 8% швидкості світла. А взагалі на відстані до 1 парсека від Стрільця А* (а це ближче, ніж Проксима Центавра від Землі) є принаймні 6000 зір.
На відстані приблизно 15 парсек, тобто 50 св. років, навколо Стрільця А* є пилове кільце, в якому відбуваються якісь поки що не до кінця зрозумілі спалахи. Простір між ним та надмасивною чорною дірою також заповнений зорями, й, можливо, там також є чимало чорних дір зоряної маси. Принаймні рентгенівський телескоп Chandra знайшов у цьому невеликому районі космосу аж 12 джерел рентгенівського випромінювання, які мають бути подвійними системами, що містять їх. Отже, кількість об’єктів, які взагалі ніяк не взаємодіють із навколишнім середовищем і тому невидимі для нас, має бути набагато більшою.
Крім того, на відстані кількох сотень світлових років від центра Галактики розташовані три кандидати у чорні діри проміжної маси. Ці об’єкти формуються в результаті злиття чорних дір зоряних мас, які залишилися внаслідок спалахів наднових. Такі проміжні чорні діри мають масу в сотні й тисячі разів більшу за сонячну. Однак відкрито їх поки що зовсім небагато.
На відстані у 700 св. років від Стрільця А* є ще одне газове кільце, в якому відбуваються процеси зореутворення. Однак у ньому матерія розташована дуже нерівномірно. Значна її частка припадає на велетенську хмару Стрілець В2. Тут, у сфері радіусом близько 100 св. років, зосереджена маса у 3 млн разів більша за сонячну.
Загалом центральна область Чумацького Шляху являє собою величезний комплекс із газових хмар, зір-гігантів, що весь час з них утворюються, та залишків наднових, у вигляді яких вони досить швидко, за космічними мірками, завершують своє життя, все це на скаженій швидкості обертається навколо відносно невеликої та спокійної чорної діри.
Однак, цілком можливо, що все це ми спостерігаємо у «мирний» період існування центру Чумацького Шляху. Спостереження за іншими галактиками дають підставу вважати, що якщо Стрілець А* почне активно «ковтати» речовину, то ми ще побачимо феєрверк в усіх частинах електромагнітного спектра.
