Полвека поисков: астрофизики узнали тайну черной дыры в центре Млечного пути

В центре нашей Галактики, примерно в 26000 световых лет от Земли, сидит черная дыра массой около 4 млн Солнц. Ее называют Стрелец A*, или Sgr A*. Принято считать, что черные дыры только поглощают материю, но это не совсем так: когда газ закручивается вокруг дыры, часть его разгоняется и выбрасывается обратно в пространство — в виде ветра или узких пучков вещества, которые называют джетами. Теория предсказывала такой ветер у Стрельца A* еще в 1971 году, вскоре после того как его открыли. За прошедшие полвека признаков наличия ветра так и не нашли, и это долго мучило астрофизиков.

Горски и Мурчикова нашли ответ с помощью радиотелескопа ALMA — Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, расположенного в чилийской пустыне Атакама. Они объединили данные пяти лет наблюдений, собранных в 2016–2019 годах, и получили карту холодного молекулярного газа вокруг черной дыры — в 100 раз глубже и в 80 раз четче, чем любая карта, существовавшая прежде. Молекулярный газ — это газ, в котором атомы объединены в молекулы, например в молекулы угарного газа (CO). Он сравнительно холодный, около −173 °C, и хорошо заметен в радиодиапазоне. Распределение такого газа и позволило увидеть то, что раньше оставалось скрытым.

Чтобы рассмотреть газ вокруг дыры, нужно сначала убрать с картинки саму дыру: Стрелец A* ярко светит в радиодиапазоне и перекрывает все вокруг. Исследователи смоделировали и вычли это свечение — каждые 15–30 секунд на протяжении всех наблюдений — и только после этого слабые газовые структуры вышли на первый план.

Астрономы нашли источник загадочных газовых облаков у черной дыры в центре Млечного Пути

На получившейся карте обнаружился большой конусообразный провал — область, где холодного молекулярного газа нет. Длина конуса — около одного парсека, то есть примерно три световых года. Угол раствора — около 45 градусов. Вершина конуса указывает прямо на черную дыру. «Это огромное отсутствие вещества», — говорит Горски. — «Мы подсчитали, сколько энергии нужно, чтобы создать такую полость. Ее больше, чем могут дать все окрестные звезды. А если проследить форму конуса — он направлен прямо на черную дыру».

Логика такая: горячий ветер, который дует от дыры, либо разгоняет холодный газ в стороны, либо нагревает его настолько, что он перестает быть видимым в нужном диапазоне длин волн. «Горячий газ и холодный не уживаются рядом», — объясняет Горски. — «Один либо вытесняет другой, либо нагревает его». Мощность этого ветра составляет от 10³⁷ до 10³⁸ эрг в секунду — это примерно в сто раз больше полной световой яркости самого Стрельца A*.

По подсчетам авторов, ветер дует как минимум 20000 лет: именно столько времени нужно ионизированному газу на краю конуса, чтобы, вращаясь вместе с окружающим диском, описать дугу, которую наблюдатели видят сегодня в виде так называемой Западной дуги — части галактической мини-спирали. Ветер, судя по всему, слабый по меркам других сверхмассивных черных дыр и, вероятно, меняет направление со временем, потому что натыкается на неоднородный газ и огибает его.

Это наблюдение раскрывает кое-что важное о природе самого Стрельца A*: он находится в спокойной фазе. Большинство черных дыр, которые хорошо поддаются наблюдениям, переживают бурные вспышки активности — они ярко светят, выбрасывают мощные джеты и хорошо заметны на космологических расстояниях. Но это исключительные моменты, а не обычная жизнь. Стрелец A* в своей тихой фазе — редкая возможность увидеть, как черные дыры ведут себя большую часть времени. «Наша черная дыра не уникальна, и наше место во Вселенной тоже», — говорит Мурчикова.

Внутри области радиусом полпарсека вокруг черной дыры ученые насчитали около 310 солнечных масс холодного молекулярного газа — сопоставимо с количеством ионизированного газа в той же зоне. Этот газ медленно течет к дыре, питая ее, а дыра в ответ выдувает его назад.

На обложке изображение тени черной дыры Стрелец A*, полученное в радиодиапазоне при помощи Телескопа горизонта событий. Источник: EHT Collaboration.