Какой механизм управляет галактиками? Ответ подскажет черная дыра в центре Млечного Пути

12 мая сразу на девяти пресс-конференциях, проводившихся одновременно в разных странах мира, астрофизики обнародовали первое в истории изображение черной дыры в центре Млечного Пути. Поначалу, сколь бы фантастичным это ни показалось, но старательно воссозданное изображение светового "бублика" вокруг "черной ямы", расположенной в центре нашей галактики, вроде бы, подтверждало прогнозы экспертов, подкрепив их вполне однозначными доказательствами следующего рода: в Млечном Пути, действительно, существует сверхмассивная черная дыра. Она вращается, а функционирование подчиняется общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

И все же при ближайшем рассмотрении здесь что-то не все сходится.

По степени яркости светового "бублика", окружающего черную дыру, ученые определили скорость, с которой материя устремляется к объекту под названием "Стрелец А*" (именно так называется черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути), – оказалось, эта скорость невысока. Специалист в области космологии Прия Натараджан (Есть и другая транслитерация фамилии Natarajan – "Натараян". В переводе статьи взято английское прочтение "Натараджан". – Прим. ИноСМИ.) (Priya Natarajan) из Йельского университета сравнил галактику со сломанной насадкой для душа: "Эта насадка практически вся засорилась, и из нее пробивается лишь тонкая струйка". В силу каких-то причин внутрь черной дыры проникает лишь тысячная часть всего объема материи, попадающего в Млечный Путь из окружающей межгалактической среды. "И вот здесь перед нами возникает очень сложный вопрос, — добавляет Натараджан. – Куда девается этот газ? Что происходит с этим потоком? Одним словом, совершенно очевидно, что у нас нет ясного представления о том, как растут черные дыры".

За последнюю четверть века астрофизики осознали, какая тесная, динамичная связь существует между галактикой и расположенной в ее центре черной дырой. "В этой области знаний произошел действительно огромный сдвиг, — поясняет астрофизик-теоретик Рамеш Нараян (Ramesh Narayan) из Гарвардского университета. – Оказалось, что черная дыра играет важную роль в качестве “компоновщика”, под контролем которого происходит эволюция галактик".

Гигантская черная дыра – это скопление материи, причем настолько плотное, что поле тяготения удерживает в ней даже свет; такая черная дыра подобна двигателю, расположенному внутри галактики, но ученые только сейчас начинают понимать, как он работает. Итак, гравитация притягивает частички космической пыли и газа к галактическому центру, где они формируют аккреционный диск, вращающийся вокруг сверхмассивной черной дыры; этот диск нагревается, превращаясь в раскаленную и ярко светящуюся плазму. Затем, по мере того, как черная дыра поглощает материю, происходит выплеск энергии, которая направляется обратно в космическое пространство. "В процессе возникновения черной дыры появляется излучение, оно испускается в окружающее космическое пространство более энергично, чем во время любого другого из известных нам процессов, наблюдаемых в природе", — заметил астрофизик-теоретик Элиот Куатарт (Eliot Quataert) из Принстонского университета. Это испускаемое излучение обуславливает повсюду в галактике скорость звездообразования и характер газовых потоков.

Но ученые обладают лишь смутными представлениями о тех "активных" процессах, в ходе которых сверхмассивные черные дыры превращаются в так называемые активные ядра галактик (АЯГ). "Каков спусковой механизм? Что играет роль триггера? Вот те фундаментальные вопросы, на которые мы все еще пытаемся получить ответы", — говорит Кирстен Холл (Kirsten Hall) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Известно, что звездное излучение, которое возникает при взрыве звезды и появлении сверхновой, имеет тот же эффект, что и излучение, испускаемое АЯГ, но только в меньших масштабах. В силу своих размеров эти "звездные двигатели" способны управлять карликовыми галактиками, тогда как гигантские "двигатели" сверхмассивных черных дыр могут доминировать в эволюции лишь самых больших – эллиптических галактик.

Если говорить о размерах, то Млечный Путь – это типичная спиральная галактика, расположенная где-то посередине между карликовыми и эллиптическими галактиками. Долгое время считалось, что в центре нашей галактики преобладает звездное излучение, о чем свидетельствуют некоторые очевидные признаки такой активности. Однако в ходе нескольких недавно проведенных наблюдений было установлено, что в его формировании также участвует излучение АЯГ. Изучая детали взаимодействия между этими двумя механизмами излучений, которые имеют место в нашей родной галактике (и решая такие загадки, как наблюдаемое сейчас снижение яркости "Стрельца А*"), астрофизики надеются выяснить, каким образом происходит совместная эволюция галактик и черных дыр. По словам Прии Натараджан, Млечный Путь "превращается в наше время в самую мощную астрофизическую лабораторию". Он является уменьшенной копией прочих гигантских объектов вселенной; "быть может, в нем и содержится ключ к разгадке".

К концу 1990-х астрономы в целом признали, что в центрах галактик находятся черные дыры. К тому времени специалисты смогли наблюдать эти невидимые объекты на достаточно близком расстоянии; массу этих космических объектов удалось определить по траекториям окружающих звезд. Ученые обнаружили удивительную закономерность: чем массивнее галактика, тем тяжелее черная дыра, находящаяся в ее центре. "Это уже нечто поразительное и принципиально новое. Черная дыра каким-то образом “общается” с галактикой", — сказала астрофизик Тициана Ди Маттео (Tiziana Di Matteo) из Университета Карнеги-Меллона.

Упомянутая взаимосвязь удивительна, если учесть тот факт, что размеры черной дыры, сколь бы велики они ни были, все равно составляют ничтожную долю от размера всей галактики. (Для сравнения: масса Стрельца A* равна примерно 4 миллионам солнечных масс, а масса Млечного Пути – около 1,5 триллиона солнечных масс.) По этой причине черная дыра с помощью гравитации притягивает лишь те области нашей галактики, которые расположены наиболее близко к ее центру.

На основе анализа информации об излучении, испускаемом АЯГ, логично предположить, что существует взаимосвязь между нашей галактикой и относительно небольшой черной дырой – таково мнение Королевского астронома Соединенного Королевства Мартина Риса (Martin Rees). Еще в 1970-х годах Рис вполне справедливо выдвинул гипотезу о том, что именно сверхмассивные черные дыры подпитывают светящиеся струи, наблюдаемые в некоторых далеких и ярких галактиках, которые называются квазарами. Ученый даже вместе с Дональдом Линден-Беллом (Donald Lynden-Bell) высказал следующую мысль: объяснить свечение центральной области Млечного Пути можно если мы предположим, что там имеется черная дыра. А вдруг всё это говорит о какой-то более общей закономерности, обуславливающей размер сверхмассивных черных дыр?

Считалось, что чем больше материи поглощает черная дыра, тем она ярче и с большей силой из нее вырывается газ. Затем, из-за направленного вовне давления проникновение газа в черную дыру прекращается. "По этой причине ее рост останавливается. Данное рассуждение несколько расплывчатое", — говорит Мартин Рис. Или, говоря словами Тицианы Ди Маттео, "черная дыра сначала ловит, а затем проглатывает". Чем больше размеры галактики, тем больше масса центральной черной дыры, а из-за этого выброс газа затрудняется. Поэтому черная дыра увеличивает свои размеры, прежде чем начнет проглатывать.

И все же, мало кому из астрофизиков приходило в голову, что энергия вещества, падающего на черную дыру, может быть столь мощно выброшена в обратном направлении. "В те времена, когда я писал диссертацию, все специалисты, которые занимались этой темой, должны были высказываться по поводу этой гипотезы крайне осторожно, поскольку она очень радикальна, ведь раньше мы все думали, что черные дыры способны только поглощать газ – и не более того", — поясняет Натараджан, который будучи аспирантом у Риса участвовал в разработке первой модели излучения, испускаемого АЯГ.

Подтверждение гипотезы о наличии испускаемого излучения было получено несколькими годами позже с помощью компьютерной модели, разработанной Ди Маттео совместно с астрофизиками Фолькером Шпрингелем (Volker Springel) и Ларсом Хернквистом (Lars Hernquist). "Мы хотели воссоздать удивительный зоопарк галактик, который в действительности наблюдается в окружающей нас вселенной", — пояснил Ди Маттео. Общая картина была им известна: в ранней вселенной галактики изначально были маленькими и плотными. Через некоторое время под воздействием тяготения эти карлики стали друг с другом сталкиваться – на этой стадии появляются яркие всполохи слияний, благодаря чему образуются кольца, вихри, возникают сигарообразные структуры, а также структуры всевозможных форм. Галактики увеличиваются в размерах, становятся все более разнообразными, – всё это продолжается до тех пор, покуда после достаточно большого количества столкновений они не станут большими и не приобретут сглаженные очертания. "В результате получается некий сгусток", — поясняет Тициана Ди Маттео. Она и ее коллеги смогли создать математическую модель этих гигантских безликих сгустков (эллиптических галактик), возникающих в результате многократного слияния спиральных галактик. Но тут возникла одна проблема.

В то время как в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь, имеется большое число молодых звезд, изучающих голубой свет, в гигантских эллиптических галактиках присутствуют только очень старые звезды, которые излучают красный свет. "Они красные и умирающие", — поясняет астрофизик Фолькер Шпрингель из Институт астрофизики Общества Макса Планка в г. Гархинге, Германия. Но всякий раз, когда ученые запускали свою компьютерную модель, в итоге получались эллиптические галактики, которые излучали голубой свет. Как бы параметры не менялись, компьютерная модель не зафиксировала звездообразования.

И вот, после этого, по словам Шпрингеля, "у нас возникла идея дополнить слияние галактик сверхмассивными черными дырами, находящимися в центрах галактик. Мы предположили, что черные дыры поглощают газ и высвобождают энергию, словно в автоклаве. Затем, внезапно звездообразование в эллиптической галактике прекращалось, она становилась красной и умирала".

"У меня отвисла челюсть от удивления, — добавил он. – Мы не ожидали, что [этот эффект] будет столь радикальным".

Воспроизводя красные умирающие эллиптические галактики, компьютерная симуляция подкрепляла теории Риса и Натараджана об излучении, испускаемом черными дырами. В целом посредством этого излучения черная дыра, несмотря на свои относительно небольшие размеры, способна оказывать воздействие на галактику. За последние два десятилетия компьютерные модели были усовершенствованы и расширены с тем, чтобы моделировать большие участки космического пространства, и они в целом способны описывать разношерстный галактический зоопарк, который мы наблюдаем во вселенной. С помощью этих компьютерных симуляций было также установлено, что благодаря энергии, выделяемой черными дырами, межгалактическое пространство заполняется горячим газом, который в противном случае должен был бы уже давно остыть, сформировав звезды. "К настоящему времени специалисты убеждены, что сверхмассивные черные дыры, похоже, действительно являются, образно говоря, двигателями, — утверждает Шпрингель. – Никому еще не удалось предложить удачную модель, в которой бы не учитывались черные дыры".

Тем не менее, компьютерное моделирование по-прежнему вещь на удивление грубоватая.

По мере того как материя падает на аккреционный диск черной дыры, происходит выброс энергии под действием силы трения; количество энергии, теряемое таким образом, — это тот параметр, который ученые вносят в компьютерную симуляцию вручную методом проб и ошибок. Данный факт говорит о том, что детали этого процесса все еще малопонятны. "Возможно, в некоторых случаях мы получаем правильный ответ, основываясь на неправильных предпосылках, — говорит Элиот Куатарт. – Возможно, мы не понимаем, каким на самом деле должен быть самый важный фактор, который обуславливает рост черных дыр и процесс выброса энергии в космическое пространство".

Суть в том, что астрофизики в действительности не знают, как работает излучение, испускаемое АЯГ. "Мы понимаем, насколько этот вопрос важен. Но от нас ускользают причины, обуславливающие это излучение, — говорит Ди Маттео. – Наиважнейшая проблема заключается в том, что нам не понятна физическая сущность этого излучения".

Ученым известно, что часть энергии выделяется в виде излучения, которое придает центрам активных галактик характерное для них яркое свечение. Кроме того, вынос материи из аккреционного диска (в виде галактического ветра либо в виде мощных струй) происходит благодаря сильным магнитным полям. Механизм, с помощью которого из черных дыр, как предполагают, испускаются струи излучения энергии, называется процессом Блэндфорда-Знаека; данный механизм был открыт в 1970-х годах. Однако, по словам Нараяна, вопрос о факторе, определяющем мощность струи, и о том, сколько энергии, выделяемой этой струей, поглощается галактикой, "до сих пор остается открытым и нерешенным". Есть еще и такое явление как галактический ветер, который радиально исходит из аккреционного диска и, таким образом, в отличие от узких струй, непосредственнее взаимодействует с галактикой; галактический ветер представляет собой еще бóльшую загадку. "Вопрос на миллиард долларов: каким образом энергия связана с газопылевым веществом?" — заявляет Шпрингель.

И упомянутая выше задача еще не решена: об этом говорит тот факт, что размеры черных дыр в современных космологических моделях оказались меньше, чем наблюдаемые размеры реальных сверхмассивных черных дыр, которые присутствуют в некоторых системах. Для того чтобы прекратилось звездообразование и появились красные, "умирающие" галактики, необходимо, чтобы в процессе моделирования использовались черные дыры, у которых количество выбрасываемой энергии препятствовало бы притоку материи; при этом черные дыры перестают расти. "Излучение энергии, появляющееся в симуляциях, слишком сильное; благодаря ему рост преждевременно останавливается", — комментирует Натараджан.

А в Млечном Пути возникает противоположная проблема: в результате моделирования, как правило, получается, что в галактике сравнимой по размерам Млечным Путем должна находиться черная дыра в 3-10 раз больше, чем "Стрелец A*".

Ученые надеются, что после более тщательного изучения Млечного Пути и близлежащих галактик мы сумеем разобраться в механизмах действия излучения, испускаемого АЯГ.

В декабре 2020 года с помощью рентгеновского телескопа eROSITA удалось обнаружить пару пузыреобразных структур, которые расположены выше и ниже плоскости Млечного Пути и простираются на десятки тысяч световых лет. Эти гигантские пузыри рентгеновского излучения напоминают пузыри гамма-излучения, исходящие из центра нашей галактики и обнаруженные десять лет назад космическим гамма-телескопом Ферми; их происхождение пока не выяснено.

Горячо обсуждались две теории происхождения пузырей Ферми. Некоторые астрофизики предположили, что это реликт струи, выброшенной из "Стрельца А*" миллионы лет назад. Другие полагали, что пузыри представляют собой аккумулированную энергию излучения множества звезд, взрывавшихся вблизи галактического центра, — своего рода звездное излучение.

Когда Сян-Йи Карен Ян (Hsiang-Yi Karen Yang) из Национального университета Цинхуа на Тайване увидела рентгеновское изображение пузырей eROSITA, она "подпрыгнула от неожиданности". Ей было известно, что рентгеновское излучение может иметь общее происхождение с гамма-излучением при условии, что оба генерируются одной и той же струей АЯГ. (В Млечном Пути рентгеновское излучение исходило от газа, сжатого ударной волной, а не от самой струи.) Ян вместе с соавторами Эллен Цвайбель (Ellen Zweibel) и Матеушем Рушковски (Mateusz Ruszkowski) приступила к созданию компьютерной модели. Полученные результаты, опубликованные прошлой весной в журнале Nature Astrophysics, не только соответствуют форме наблюдаемых пузырей и яркого фронта ударной волны, но и, кроме того, они позволяют утверждать, что эти гигантские структуры формировались на протяжении 2,6 миллиона лет (расширяясь вовне и отделяясь от струи, которая была активной в течение 100 тысячи лет) — слишком быстро, чтобы это можно было объяснить звездным излучением.

На основе этого утверждения получается, что излучение, испускаемое АЯГ, может играть гораздо более важную роль в обычных дисковых галактиках, таких как Млечный Путь, чем считалось ранее. По словам Ян, получившаяся картина напоминает экосистему, в которой излучение АЯГ и звездное излучение перемешиваются с рассеивающимся горячим газом, который окружает галактики (так называемая окологалактическая среда). Для галактик различного типа и на разных временных этапах будет характерно преобладание разных эффектов и форм струи.

Анализ того, что происходило с Млечным Путем в прошлом и происходит в настоящее время, даст нам возможность раскрыть принципы работы механизма, определяющего взаимодействие этих процессов. Например, европейский космический телескоп Gaia нанес на карту точное положение миллионов звезд Млечного Пути, а кроме того – траекторию их движения, что позволило астрофизикам проследить историю его слияния с галактиками меньших размеров. Было высказано предположение, что во время подобных слияний активируются сверхмассивные черные дыры, затягивая в себя материю, из-за чего они внезапно становятся ярче и даже извергают из себя струи плазмы. "В этой области специалисты ведут жаркие споры о том, является ли процесс слияния важным фактором", — поясняет Элиот Куатарт. Как свидетельствуют данные о звездах, полученные телескопом Гайя, Млечный Путь не участвовал в слияниях в ту эпоху, когда формировались пузыри Ферми и пузыри eROSITA; из этого можно сделать вывод о том, что слияния не способствовали активации струи АЯГ.

Возможен и такой вариант: сгустки газа просто сталкиваются с черной дырой и активируют ее. А она ведет себя хаотично – то поглощает материю, то выбрасывает струи плазмы и галактических ветров, то делать перерыв в своей активности.

Изображение "Стрельца A*" (оно было получено недавно с помощью телескопа Event Horizon), на котором видна струя падающей материи, представляет собой еще одну загадку, которую нужно разгадать. Астрофизикам уже было известно, что не весь газ, затянутый в галактику, достигнет горизонта событий черной дыры, поскольку галактические ветры выталкивают его в направлении противоположном аккреционному потоку. Но для того, чтобы можно было объяснить столь сильно ослабевающий поток, требуется какая-то нереальная сила ветра. "Построенные мной модели не показывали сильного ветра, — сказал Нараян. – Это был совсем не тот ветер, который нужен для полного объяснения происходящего процесса".

Одна из трудностей, возникающих при изучении процесса функционирования галактик, заключается в наличии огромной разницы между размерами звезд и черных дыр по сравнению с масштабами галактик и окружающего космического пространства. При компьютерном моделировании физического процесса ученые выбирают масштаб и моделируют соответствующие эффекты с учетом этого масштаба. Но в галактиках существует взаимодействие между большими и малыми эффектами.

"По сравнению с гигантскими размерами галактики, черная дыра – это крошечный объект. Галактику и черную дыру нельзя поместить в одну и ту же гигантскую компьютерную симуляцию, — поясняет Рамеш Нараян. – Каждый режим нуждается в информации от другого “парня”, но не знает, как установить связь".

Для того, чтобы справиться с этой проблемой, Нараян и Натараджан вместе с коллегами в настоящее время запускают проект, в котором будет использоваться встроенная симуляция. С ее помощью будет создана согласованная модель, которая должна будет продемонстрировать, каким образом газ течет через Млечный Путь и близлежащую галактику "Messier 87", обладающую активным ядром.

Компьютерное моделирование поможет специалистам прояснить вопрос о том, каким образом газ распространяется в галактиках и окружающем их космическом пространстве. (И здесь большую помощь окажут результаты наблюдений за окологалактической средой, проводимых космическим телескопом "Джеймс Уэбб".)

Важно отметить, что в новой схеме входящие и исходящие данные, которые перетекают между симуляциями разных масштабов, должны согласовываться друг с другом, чтобы как можно меньше приходилось настраивать их вручную. "Если симуляция настроена корректно, то она сама решит, сколько газа дойдет до черной дыры, — поясняет Нараян. – Мы можем заглянуть в нее и спросить: почему она не поглотила весь газ? Чем же она занималась все это время?" Ученым хотелось бы создать серию снимков галактик на разных этапах их эволюции.

В настоящее время нам еще многое не известно о вышеупомянутых галактических экосистемах. Остается лишь строить догадки. "Действительно, наступил новый этап, когда ученые стали анализировать похожие гипотезы, — сказала Сян-Йи Карен Ян. – У меня нет четкого ответа, но я надеюсь, что через несколько лет он появится".