Темная материя или черная дыра: что на самом деле находится в центре Млечного Пути

По действующей гипотезе, в центре Галактики находится Стрелец A* — черная дыра с массой около четырех миллионов Солнц. Ее существование не доказано, но подтверждено с очень высокой степенью надежности. В пользу черной дыры говорит, во-первых, движение так называемых S-звезд — это группа звезд, расположенных совсем близко к центру Млечного Пути и наблюдаемых в инфракрасном диапазоне. Эти звезды обращаются вокруг центра Галактики с огромными скоростями — значит, они вращаются вокруг объекта с колоссальной массой, сосредоточенной в объеме меньше орбиты Плутона. Объяснить такую конфигурацию чем-то, кроме сверхмассивной черной дыры, крайне сложно.

Кроме того, объект в центре Галактики излучает радио- и инфракрасный свет так, будто вещество падает в него и разогревается, но не ударяется о твердую поверхность. Это важно, потому что у черной дыры поверхности нет: материя просто исчезает за горизонтом событий. Если бы в центре был плотный, но обычный объект, он светился бы иначе.

Наконец, в 2022 году телескопы проекта Event Horizon Telescope получили изображение «тени» Стрельца A* — темной области, окруженной ярким кольцом.

EHT CollaborationИзображение объекта Стрелец A*, полученное телескопами проекта Event Horizon Telescope в 2017 году и опубликованное в 2022-м.

Именно так, по расчетам, должна выглядеть область вокруг черной дыры. Кроме того, если бы в центре находилось плотное скопление обычного вещества (скажем, звезд или нейтронных звезд), там уже давно были бы заметны столкновения, перегрев и другие признаки нестабильности. Но ничего подобного в центре Галактики наблюдается.

Японцы поставили под сомнение «фото» черной дыры в центре Млечного Пути

Тем не менее прямого доказательства существования черной дыры Стрелец A* до сих пор нет, а значит место для альтернативных моделей остается. Международная команда ученых из Аргентины, Италии, Колумбии и Германии предложила свою: сверхплотное ядро из особого типа темной материи, состоящей из легких фермионов. Эта структура может воспроизводить ту же гравитацию, что и черная дыра, так что звезды и облака газа вокруг двигались бы вокруг нее так же.

Фермионы — это элементарные частицы, свойства которых описали Энрико Ферми и Поль Дирак. Их главное отличие от бозонов связано со спином: у фермионов он полуцелый, а у бозонов — целый. К фермионам относятся, например, электроны, протоны и нейтроны. Из этого свойства следует принцип запрета Паули: одинаковые фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. 

Что такое парадокс Ферми и какие есть решения: почему молчит Вселенная

Проще говоря, их нельзя плотно сложить в одну точку — при попытке сжать такое вещество частицы начнут сопротивляться и создадут давление, которое не даст веществу схлопнуться. В рассматриваемой модели именно это свойство позволяет темной материи образовывать сверхплотный, но устойчивый объект, который по гравитации похож на черную дыру, хотя ею не является.

Эта модель объясняет не только происходящее в самом центре Галактики, но и движение звезд далеко от него. Данные миссии Gaia показывают, что на окраинах Млечного Пути скорости звезд постепенно уменьшаются, что логично, если основная масса сосредоточена ближе к центру. В модели с фермионной темной материей это получается естественно: она была бы собрана компактнее и не тянулась бы далеко от центра Галактики.

Интересно, что плотное ядро темной материи, по расчетам, может даже отбрасывать такую же «тень», как черная дыра. Если такое ядро окружает светящийся аккреционный диск из газа и пыли, гравитация искривляет свет и создает темный круг, окруженный ярким кольцом — почти как на знаменитом снимке с телескопа Event Horizon. Правда, есть совпадение не полное: у настоящей черной дыры должны быть тонкие фотонные кольца, возникающие из-за многократного обхода света вокруг горизонта событий — именно их астрономы рассчитывают найти с помощью инструмента GRAVITY на Очень большом телескопе. В модели с темной материей таких колец быть не должно.

Версия с черной дырой на сегодняшний день остается основной и самой убедительной. Но и альтернативная модель не противоречит наблюдениям. Поэтому, по мнению исследователей, вопрос о природе объекта в центре Млечного Пути остается открытым.

Ранее была создана самая подробная карта распределения темной материи во Вселенной.

На обложке генерация Pro Космос