Хабрахабр

[Перевод] Млечный Путь прячет десятки тысяч чёрных дыр


Сами по себе чёрные дыры не видны, но рентгеновское и радиоизлучение, исходящее от материи, находящейся рядом с ними, может дать нам представление об их местоположении и физических свойствах

Однако вокруг неё должно находиться не только множество быстро движущихся звёзд, но и десятки тысяч более мелких чёрных дыр, сформировавшихся из останков массивных звёзд, которые должны были быть вблизи галактического центра. В центре практически каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, в месте нахождения которой собралась материя массой в миллионы или даже миллиарды солнечных. Ожидалось, что в регионе диаметром всего шесть световых лет и центром в Стрелец А* их найдётся более десяти тысяч, однако их там не нашлось. Наблюдая за пространством вокруг Стрелец А*, нашего чудовища в центре Млечного Пути массой в четыре миллиона солнечных, мы обнаружили звёзды, пыль, газ, электромагнитное излучение, и всё, что ожидали, за одним исключением: никаких свидетельств наличия этих чёрных дыр меньшего размера. Из этого следует, что эти чёрные дыры действительно там есть, и теперь у нас есть идея по поводу того, как их найти.

Композитное изображение чёрной дыры в центре нашей Галактики из рентгеновских и инфракрасных лучей: Стрелец А*. То есть, до тех пор, пока мы не придумали новый хитроумный метод, благодаря которому за один только прошлый год мы нашли их уже десяток. Её масса составляет четыре миллиона солнечных, и она окружена горячим газом, испускающим рентгеновские лучи, звёздами, и, потенциально, многими тысячами более мелких чёрных дыр.

Хотя там без сомнения находится множество звёздных источников света, пыли, заполняющей плоскость нашего Млечного Пути, оказывается вполне достаточно для того, чтобы заблокировать весь свет, который иначе прошёл бы 25 000 световых лет, чтобы достичь наших глаз. Регион космоса, окружающий чёрную дыру в центре нашей Галактики заполнен материалом, который можно обнаружить только за пределами видимого спектра. Но на больших длинах волн, в инфракрасном и радиодиапазоне, есть свет, способный пробиться к нам, и открыть наличие в центре звёзд и газа, а рентгеновское излучение на более коротких длинах волн может выдать нам огромное количество информации об энергетических источниках излучения и происходящих там событиях.

Но свет, идущий от них всех, от гамма-лучей до видимого света и радиоволн, может говорить лишь о том, что способны уловить наши инструменты на расстоянии в 25 000 с лишним световых лет.
Изображение галактического центра в свете различных длин волн демонстрирует звёзды, газ, излучение и чёрные дыры, а также другие источники.

Из того, что мы видим, можно представить себе, на что похож этот регион пространства: он полон материи, способной активно создавать звёзды, и богат тяжёлыми элементами. Когда мы изучаем окружающее Стрелец А* пространство, мы видим большое количество звёзд, движущихся вокруг центральной чёрной дыры, а также периодические вспышки, возникающие в процессе поглощения чёрной дырой различных комков материи. Там должно формироваться много звёзд с большим разнообразием масс, из которых должно получаться довольно большое количество сверхновых, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Присутствующие там газ и пыль создают идеальную среду для активного формирования звёзд, что, как говорят наши наилучшие теории, там как раз и происходит. Именно из этих данных мы делаем оценку того, что в радиусе трёх световых лет от Стрелец А* должно существовать порядка 10 000 – 20 000 чёрных дыр.

Кроме этих звёзд, газа и пыли, мы ожидаем, что в этом регионе окажется не менее 10 000 чёрных дыр, расположенных всего в нескольких световых годах от Стрелец А*, но до сих пор обнаружить их было довольно сложно.
Целая толпа звёзд была обнаружена рядом со сверхмассивной чёрной дырой в ядре Млечного Пути.

И тому есть убедительная причина: большую часть их сложно наблюдать, поскольку они не испускают излучения, которое мы могли бы уловить. Но, несмотря на предсказание, у нас есть проблемы с наблюдением этих чёрных дыр. Но чтобы увидеть чёрные дыры, существующие в двойных системах, в которых чёрная дыра и звезда движутся вокруг друг друга, существует хитрый способ: мы ищем яркие вспышки рентгеновских лучей, испускаемые такими системами. Для обнаружения изолированных чёрных дыр, бывших единственными звездами в своей системе, у нас нет рабочего способа. Согласно астрофизику Чаку Хэйли:

Но галактический центр так далеко от Земли, что подобные вспышки оказываются достаточно сильными и яркими, чтобы мы смогли их увидеть, лишь раз в 100 – 1000 лет. Это очевидный способ поиска чёрных дыр.

И поскольку нам пока не повезло, нам нужен был другой метод.

Но за пределами горизонта она может испускать рентгеновское излучение.
Чёрная дыра известна тем, что поглощает материю и обладает горизонтом событий, с которого ничего не может убежать. Оно может идти как в форме крупных вспышек, так и в форме постоянного, относительно тихого потока, возникающего благодаря медленному поеданию соседа ЧД

Вместо того, чтобы искать двойную систему со звездой и чёрной дырой в активном состоянии, характеризующемся вспышками, они поняли, что можно искать следы менее энергичных рентгеновских волн, которые должны были существовать во время неактивности этих систем. Именно в этот момент команда Хэйли пришла на помощь. Хэйли продолжает:

Когда чёрная дыра сближается со звездой малой массы, это партнёрство испускает рентгеновские вспышки, которые получаются слабее, но они постоянные и их можно обнаружить. Всё было бы просто, если бы двойные системы с чёрной дырой постоянно испускали бы мощные вспышки, как это делают двойные системы с нейтронной звездой, но это не так, поэтому нам пришлось изобрести другой способ их поиска.

Но у команды Хэйли был козырь: такие данные существовали благодаря рентгеновской обсерватории Чандра. На отслеживание подобных эффектов в галактическом центре в рентгеновском диапазоне должна была уйти уйма времени, и без чётко указанной цели такой проект бы не одобрили.

Благодаря такого рода событиям Чандра набрал огромный объём данных за 19 лет наблюдений за галактическим центром.
Сверхмассивная чёрная дыра нашей Галактики была свидетелем чрезвычайно ярких вспышек, но ни одна из них не была такой яркой или длительной, как XJ1500+0134.

Изучив полный набор архивных данных, команда смогла обнаружить удивительную вещь: рентгеновские признаки наличия двенадцати независимых, неактивных, тихих двойных систем из чёрной дыры и звезды. Чандра периодически наблюдал за галактическим центром большую часть 19 лет. Все эти 12 систем ЧД/звезда находятся в пределах трёх световых лет от Стрелец А*, и их существование позволяет нам сделать нечто более интересное: оценить общее количество существующих в этом регионе чёрных дыр. Учитывая, что в Млечном Пути мы пока обнаружили всего 60 чёрных дыр, это серьёзное увеличение их количества – но не только. На основе собранных данных там должно быть где-то 300 — 500 систем, состоящих из чёрной дыры и звезды, и порядка 10 000 изолированных чёрных дыр.


В центрах галактик существуют звёзды, газ, пыль, и (как мы теперь знаем) чёрные дыры, которые вращаются вокруг и взаимодействуют с центральным сверхмассивным объектом галактики.

Зная о существовании порядка 10 000 чёрных дыр в окрестностях нашей сверхмассивной чёрной дыры, мы можем оценить, что происходит в центре каждой галактики со сверхмассивной чёрной дырой: тысячи и тысячи обычных чёрных дыр, движущихся вокруг неё. Это потрясающее открытие, и оно было возможным только в рамках нашего Млечного Пути. В отличие от систем с близко расположенными телами малой массы и малым периодом обращения, к которым чувствительна LIGO, eLISA впервые сможет обнаружить чёрные дыры с большим периодом обращения, долго сближающиеся по спирали и сливающиеся со сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик. В 2030-х Европейское космическое агентство запустит Улучшенную космическую антенну, использующую принцип лазерного интерферометра (eLISA, ранее LISA), космический детектор гравитационных волн с очень длинными плечами.

Создав гравитационную обсерваторию в космосе, мы сможем поднять чувствительность до уровня, способного предсказывать слияния со сверхмассивными чёрными дырами.
За последние два года на Земле были обнаружены гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд и чёрных дыр.

В отличие от чёрных дыр LIGO, во время этих процессов сближения у нас будут недели, месяцы или даже годы форы, что позволит нам чётко узнать, когда и в какую точку необходимо будет смотреть, чтобы увидеть слияние. Это чрезвычайно важное исследование, поскольку оно даёт нам первое реальное свидетельство того, что будет искать eLISA, что ещё сильнее мотивирует нас на поиски таких событий, которые, как нам сейчас уже известно, могут существовать. Это первое подтверждение теории о существовании десятков тысяч чёрных дыр вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, и оно позволяет нам лучше предсказывать, как много связанных с ними событий, вызывающих гравитационные волны, мы сможем зарегистрировать.

Впервые мы можем быть уверенными в том, что чёрные дыры – не космические редкости, они существуют в огромных количествах в каждой галактике по всей Вселенной. Вся нужная нам информация по этому поводу находится в центрах галактик, включая и нашу.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть