Что мы увидим, столкнувшись с черной дырой?

Мы знаем, что Стрелец A* (Sgr A*) — черная дыра, обитающая в центре нашей галактики, Млечного Пути, — является сверхмассивной и быстро вращается, увлекая за собой пространство-время. И эта, казалось бы, незначительная деталь — скорость ее вращения, — скрывает в себе ключи к пониманию процесса ее формирования. Один из ключевых аспектов в понимании этих «зверей» — это выяснение того, как они достигли таких размеров. Образуются ли они в результате слияния меньших черных дыр? Или достигают таких колоссальных масс, поглощая (аккрецируя, говоря научным языком) окружающий газ? Скорость вращения Sgr A* указывает на то, что значительная часть массы черной дыры происходит от аккреции материала из ее окружения. И именно об этом окружении мы сегодня и поговорим.

Что мы увидим, столкнувшись с черной дырой?

Ядра большинства галактик, так называемых спиральных и эллиптических, содержат в своем центре сверхмассивную черную дыру. Изучение окружения этих объектов показывает, что они оказывают огромное влияние на общую эволюцию приютившей их галактики. Хотя черная дыра не излучает свет, когда она активна, материя, падающая на нее, помимо того, что помогает ей расти, высвобождает огромное количество энергии в виде наблюдаемого излучения, которое она выбрасывает в окружающее пространство.

Сверхмассивная черная дыра имеет размер примерно с нашу Солнечную систему, в то время как приютившая ее галактика в миллиард раз больше. Однако излучение и поток газа, возникающие в результате экстремальных условий вблизи черной дыры, определяют, как со временем будет развиваться вся галактика. Например, черная дыра может нагревать газ и замедлять звездообразование или, в некоторых случаях, активировать его, а также способна рассеивать на большие расстояния химически обогащенный материал.

Области вблизи центров галактик являются экстремальными во многих отношениях. В нашей, в частности, плотность звезд самая высокая в Млечном Пути. Давайте сравним цифры: в окрестностях Солнца плотность звезд составляет примерно 0,1 звезды на 34,7 кубических световых лет. В галактическом центре в том же объеме находится 10 миллионов звезд, и некоторые из них движутся с очень высокой скоростью из-за присутствия центральной черной дыры. Примерно в том же объеме, в котором в нашем окружении нет ни одной звезды, только Солнце и ближайшая звезда Проксима Центавра b на расстоянии 4,24 световых года, центр нашей галактики вмещает более десяти миллионов звезд.

Галактический центр, безусловно, является местом с самой высокой плотностью звезд в Млечном Пути, но есть и другие среды, которые, хотя и не приближаются к этим цифрам, также содержат высокую плотность звезд: шаровые скопления. Шаровое скопление — это ассоциация звезд, которая в своем центре может содержать до 10 000 звезд на кубический парсек (34,7 кубических световых лет). Даже при таком большом количестве звезд на таком небольшом пространстве столкновения редки, и мы знаем это, потому что в шаровых скоплениях, которые мы можем видеть более подробно, чем центр галактики, в их центрах есть звезды, так называемые голубые отставшие звезды, которые являются молодыми и массивными звездами, образованными в результате столкновения двух старых звезд меньшей массы. Менее одной из 10 000 звезд в шаровых скоплениях являются голубыми отставшими звездами, что говорит о том, насколько редки звездные столкновения даже в этих экстремальных условиях.

Крупнейшее хранилище плотного газа

Вернемся к окружению Sgr A* и еще одному из его необычайных свойств — крупнейшему хранилищу плотного газа в галактике, материала, из которого строятся звезды. Поэтому, возможно, неудивительно, что там звезды формируются самыми высокими темпами во всем Млечном Пути. И это подводит нас к одному из самых фундаментальных вопросов астрофизики: всегда ли звезды формируются одинаково, или экстремальные условия определенных сред изменяют способ их образования? В науке мы любим универсальные законы, поэтому нам так интересно узнать, что происходит в экстремальных условиях центра галактики, как для того, чтобы доказать, что правила нарушаются, так и для того, чтобы доказать, что они соблюдаются.

За неимением лучшей информации, мы предполагаем, что способ образования звезд, рецепт, который говорит нам, сколько звезд образуется с определенной массой, универсален. То есть он сохраняет одну и ту же форму во все времена и во всех галактиках. И хотя астрофизика ищет вариации этого глобального закона во всех возможных средах, до сих пор, за исключением самых малых (меньше массы Солнца) и самых больших (более чем в 10 раз больше массы Солнца и в прошлом) масс, он кажется довольно неизменным. Чтобы доказать это, необходимо наблюдать, что он выполняется там, где формируются звезды, и в нашей галактике самая экстремальная среда, которую мы еще не полностью изучили, находится в окрестностях Sgr A*.

Сердце Млечного Пути находится всего в 26 000 световых лет от нас, но высокая плотность звезд и обширные и плотные межзвездные облака газа и пыли заслоняют наш вид на галактический центр. И затрудняют не только изучение справедливости этого универсального закона звездообразования, но и понимание того, каково влияние присутствия черной дыры на процессы обратной связи газа. Так что, хотя мы постепенно раскрываем детали, которые их характеризуют, эти захватывающие объекты скрывают ценные ключи для науки в своем непосредственном окружении, влияя на всю галактику, частью которой они являются. И именно этим мы и пытаемся заниматься: связать историю звездообразования с историей самой галактики, которая, в свою очередь, является нашей историей.