Тайны Мироздания. История про Стрельца А

Как учёные «ловили» чёрную дыру (ЧД) в нашей Галактике: история про Стрельца A*

Поимка ЧД в Млечном Пути отличалась от ловли Лебедя X-1. Дело в том, что наш «преступник/ЧД»  ещё более изощрён в конспирации. Если Лебедь X-1 постоянно оставляет мощные рентгеновские следы, то наш старается их максимально скрывать, и они появляются только иногда (когда ему хочется кушать), да и не такой интенсивности… Но астрономов-детективов не так легко провести. ЧД научились прятать свет, а вот гравитацию они пока не научились прятать… И именно она помогла обнаружить невидимку в центре нашей Галактики. Этим невидимкой оказался Стрелец A* - так назвали обнаруженную там чёрную дыру. Познакомимся с ней поближе.

Как удалось определить локацию этой ЧД? Астрономы долго наблюдали за центром Млечного пути, кропотливо фиксируя там положение звёзд и нанося их на карту движения. В итоге получилось настоящее космическое кино: год за годом астрономы снимали, как звёзды кружатся вокруг… чего-то невидимого. И кружатся не просто так, а по очень строгим дорожкам — будто их держит на невидимых нитках гигантский магнит.
Представь, что ты смотришь сверху на карусель. Ты не видишь саму ось, вокруг которой всё крутится, но по тому, как бегут лошадки, сразу понимаешь: в центре точно что-то есть! Вот и учёные смотрели на звёзды у самого сердца нашей Галактики и видели: они носятся по эллипсам, то ускоряясь, то замедляясь, словно их тянет к одной точке.
Особенно помогла звезда по имени S2 — она стала настоящей звездой-детективом. Она обращается вокруг Стрельца А* по довольно вытянутой эллиптической орбите. Полный оборот занимает примерно 15,5–16 лет. Ключевой параметр — перицентр, то есть точка орбиты, где звезда ближе всего к чёрной дыре. Для S2 это около 120 астрономических единиц (а.е.). Для масштаба: расстояние от Солнца до Нептуна — примерно 30 а.е., так что 120 а.е. — это всё ещё очень далеко в космических масштабах (в полутора тысячах от горизонта событий), но крайне близко по меркам центра галактики. Когда она подлетает ближе всего к центру, её скорость становится сумасшедшей — почти 3 процента от скорости света! Это, как если бы ты за секунду мог бы облететь Землю семь раз подряд.
Астрономы годами замеряли, где именно находятся звёзды в центре Млечного Пути, как они движется, насколько меняется их свет из за скорости и гравитации. Для этого использовали самые мощные телескопы на Земле, а чтобы не мешал воздух, ставили их высоко в горах и даже объединяли несколько телескопов в один гигантский «суперглаз» — так картинка становилась чёткой, будто смотришь из космоса.
И вот когда все эти дорожки звёзд аккуратно наложили друг на друга, они сошлись в одной крошечной точке (на представленной схеме показаны орбиты 6 звёзд). Дальше пошла математика: по скорости и форме орбит учёные посчитали, какая масса должна быть в этой точке, чтобы так сильно тянуть звёзды. Получилось около 4 миллионов масс Солнца — и всё это упаковано в область размером примерно 12 миллионов километров. Это настолько плотно, что никакой обычный объект (ни звезда, ни облако газа) так себя вести не может. Остаётся только один вариант — сверхмассивная чёрная дыра. Так и поняли: в самом центре Млечного Пути прячется Стрелец A*.
В 2020 году Райнхарду Генцелю и Андреа Гез дали Нобелевскую премию за то, что они десятилетиями следили за звёздами в центре нашей Галактики и доказали, что в её центре на расстоянии около 27 тысяч световых лет от Земли сидит настоящий космический монстр.

Почему чёрная дыра не «засасывает» звёзды, которые кружатся вокруг неё?
Тут несколько важных причин:
; Орбитальное движение. Пока звезда движется по орбите, она не падает прямо в чёрную дыру. Гравитация чёрной дыры действительно сильна, но она лишь искривляет траекторию, удерживая звезду на орбите — примерно, как Солнце удерживает планеты. Чтобы вещество было поглощено, оно должно потерять орбитальную энергию и пересечь горизонт событий — границу, из-под которой уже ничто не может вырваться. У звёзд, о которых идёт речь, этого не происходит: они просто пролетают достаточно далеко горизонта событий. Для Стрельца А* радиус горизонта событий составляет примерно 12 миллионов километров. Минимальное расстояние, на которое подлетает к ЧД звезда S4714 около 12,6 астрономических единиц или почти 2 миллиарда километров (рекордсмен в этом) — это примерно в 157 раз дальше границы, из-под которой ничто не может вырваться.
; Сейчас Стрелец А* находится в относительно «спокойном», «спящем» состоянии. Активное поглощение материи (аккреция) требует наличия достаточного количества вещества рядом. Однако бывает, что Стрелец A* тоже устраивает мини фейерверки, когда его рентгеновская светимость может подскакивать — иногда на пару порядков (то есть в сотню раз) относительно спокойного фона.
Почему так? Скорее всего, дело в процессах прямо у горизонта событий. Например:
; взрывы сгустков плазмы: в аккреционном диске перегретое вещество (плазма), бешено вращаясь вокруг чёрной дыры, может сжимать сгустки плазмы, которые потом взрываются, порождая вспышку излучения,
; события магнитного пересоединения.  В диске магнитное поле очень сильное и запутанное. В какой-то момент линии магнитного поля могут «пересоединиться» — резко изменить конфигурацию, соединившись иначе. При этом накопленная магнитная энергия высвобождается в виде огромного импульса, разгоняя частицы до высоких скоростей. Эти частицы (например, электроны) начинают излучать — это называется синхротронным излучением, и именно его мы регистрируем как вспышку. Процесс пересоединения может также происходить, когда плазма, падая в дыру, пытается утащить за собой магнитные линии, они запутываются, сжимаются вблизи горизонта событий — и в какой-то момент пересоединяются. Иногда пересоединение помогает и в формировании мощных струй (джетов) из полюсов чёрной дыры.
; поглощение объекта: иногда всплеск может быть связан с тем, что к чёрной дыре вплотную подходит звёздный объект (например, облако газа или звезда, разрушаемая приливными силами) — это может резко увеличить поток вещества, падающего на чёрную дыру, и спровоцировать мощную вспышку.
Интересный исторический нюанс: наблюдения оболочек молекулярных облаков в центре Галактики подсказывают, что в прошлом (сотни или тысячи лет назад) Стрелец A* мог переживать куда более мощные эпизоды активности — тогда его светимость в рентгене была на много порядков выше.
Скорее всего, в реальности работает не одна причина, а целый комплекс процессов. Слабые и частые колебания могут быть связаны с турбулентностью, а более яркие и продолжительные вспышки — с магнитным пересоединением или внешними событиями. Учёные продолжают наблюдать (в том числе с помощью «Джеймса Уэбба») и строить сложные компьютерные модели, чтобы собрать всё в единую картину
12 мая 2022 года астрономы, проводившие наблюдения с помощью Телескопа горизонта событий, опубликовали первую фотографию аккреционного диска в радиусе Стрельца А*