В экстремальных условиях в самом сердце галактики Млечный Путь могут происходить довольно странные вещи.
А под словом «странный» мы подразумеваем почти невообразимо безумный.
Там скрывается сверхмассивная чёрная дыра, названная Стрельцом А*, масса которой примерно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца.
Хотя это относительно скромный показатель для сверхмассивных черных дыр, гравитационный режим в ее непосредственной близости провоцирует довольно непредсказуемое поведение населяющих ее звезд.
И вот теперь астрономы обнаружили объект, который затмевает все остальные.
Как описано в новой статье в журнале Nature , S301 находится на невероятно быстрой орбите с периодом обращения 8,7 лет вокруг Sgr A*, достигая пиковой скорости более 25 000 километров (15 534 миль) в секунду во время ближайшего сближения с черной дырой, на расстоянии, сопоставимом с расстоянием между Сатурном и Солнцем.
Это составляет целых 8,5 процента от скорости света – и, наконец, это достаточно близко, чтобы провести измерения, которые могут раскрыть неуловимые свойства самой Sgr A*, сначала ее спин, а затем и то, подчиняется ли она знаменитой теории, предполагающей, что у черных дыр нет «волос».
«Галактический центр подобен удаленной лаборатории, а звезды — измерительным зондам», — сказал ScienceAlert астрофизик Феликс Манг из Института внеземной физики им. Макса Планка в Германии, участник коллаборации GRAVITY+, которая анализировала эту звезду.
«Наши измерения (при заданной точности) достигают уровня звезды, которая максимально приближается к SgrA*. Теперь, когда у нас есть, по сути, зонд, с помощью которого мы можем измерить кривизну вращающегося пространства-времени вокруг этой массивной черной дыры, это просто невероятно круто».
Черную дыру в центре Млечного пути непросто изучать. Поскольку черные дыры не излучают света, который мы могли бы обнаружить, лучшим инструментом для их изучения является поведение окружающих их объектов.
Объект вокруг Sgr A* довольно интересен. Он окружен роем звезд, движущихся по петлеобразным эллиптическим орбитам, которые в прошлом ученые использовали для измерения свойств черной дыры и проверки общей теории относительности в одной из самых экстремальных сред, которые мы можем наблюдать.
Одна из звезд, S2, оказалась особенно полезной.
Его 16-летняя орбита, которая в 2018 году приблизила звезду на расстояние 17 световых часов к центру галактики, позволила астрономам измерить гравитационное красное смещение и прецессию Шварцшильда — эффекты, вызванные огромной массой Sgr A*.
Но S301 выводит захватывающие ощущения от поездки в черную дыру на совершенно новый уровень.
Его невероятно вытянутая орбита приближает его к Sgr A* примерно в 10 раз ближе, чем к S2, и он стремительно погружается в гравитационную яму черной дыры, где – подобно американским горкам, резко спускающимся в пропасть – разгоняется до своей головокружительной максимальной скорости, прежде чем снова вылететь наружу.
И, как и на американских горках, интерес к этому аттракциону заключается не только в максимальной скорости. Важно то, что происходит по пути.
В точке максимального сближения, или перицентре, S301 находится достаточно близко к Sgr A*, чтобы пройти сквозь саму ткань пространства-времени, увлекаемую черной дырой при вращении – подобно тому, как воткнуть вилку в миску со спагетти и покрутить ее.
Это явление известно как эффект «затягивания кадра» или эффект Ленза-Тирринга.
Это вращательное движение должно очень незначительно изменить орбиту S301. Ученые могут с высокой точностью рассчитать, как бы выглядела орбита S301 без влияния глубокого погружения в область Лензе-Тирринга; сравнение этого предсказания с измененной реальной орбитой дает отправную точку для обратного расчета вращения Sgr A*.
Это может приблизить нас к проверке теоремы об отсутствии волос, которая гласит, что для фактически незаряженной черной дыры, зная массу и спин, все остальные характеристики ее гравитационного поля должны быть предсказуемы, исходя только из этих свойств.
«Наша группа уже измерила массу Sgr A* с точностью до долей процента», — сказал Манг изданию ScienceAlert.
«Изучение вращения стало бы следующим шагом в доказательстве теоремы об отсутствии волос, и в частности, вращения массивной черной дыры — это беспрецедентный случай».
Одного измерения вращения недостаточно для решения этого вопроса. Но при достаточном количестве наблюдений орбита S301 в конечном итоге может выявить еще одну особенность гравитационного поля Sgr A*, называемую его квадрупольным моментом.
Общая теория относительности точно предсказывает, каким должно быть это измерение, исходя из массы и спина черной дыры. Если наблюдения совпадут с предсказаниями, Sgr A* пройдет серьезную проверку теоремы об отсутствии волос.
Возможно, у S301 есть ещё одна невероятная история, которую стоит рассказать.
Чрезвычайно вытянутая орбита указывает на то, что звезда, возможно, когда-то была частью двойной системы, которая приблизилась слишком близко к Sgr A*. В процессе, известном как механизм Хиллса, черная дыра может разорвать такую пару, захватив одну звезду на тесную орбиту и выбросив другую с огромной скоростью.
Это может объяснить, как S301 оказался на своей нынешней экстремальной траектории, хотя одной лишь его орбиты недостаточно для подтверждения этого сценария.
Обнаружение его давно потерянного бывшего спутника, удаляющегося от Галактического центра, стало бы гораздо более веским доказательством.
А поскольку орбита очень короткая, нам не придётся долго ждать. S301 снова достигнет перицентра ближе к концу 2031 года, когда влияние вращения на его орбиту будет наиболее сильным.
В рамках проекта GRAVITY+ коллаборация продолжит наблюдение за S301, а будущий инструмент MICADO на Чрезвычайно большом телескопе Европейской южной обсерватории должен помочь астрономам реконструировать его движение в трех измерениях.
По теме: В сердце Млечного пути может скрываться нечто гораздо более мрачное, чем чёрная дыра.
В совокупности эти наблюдения позволят команде точно определить вращение шара Sgr A* в течение следующего десятилетия.
А в самых глубинах Млечного Пути могут скрываться и другие сокровища.
«Мы ожидаем, что в центре Галактики существует больше звёзд, подобных S301, и если мы обнаружим похожую, это ещё больше облегчит измерение вращения», — сказал Манг.
«Сила сигнала больше не будет зависеть только от относительной ориентации оси вращения черной дыры и орбиты S301».
Результаты открытия опубликованы в журнале Nature .
Статьи ScienceAlert пишутся, проверяются на достоверность и редактируются людьми, никогда не создаются искусственным интеллектом. Не пропустите ни одной статьи, подпишитесь здесь.
Новости по теме
-
В будущем наше выживание может зависеть от ядерного удара по астероиду, способному уничтожить целый город. Ученые только что проверили, сработает ли это.
-
Вода обнаружена на удивительно близком расстоянии от сверхмассивной чёрной дыры нашей галактики.
-
Кипящая жидкость в условиях почти невесомости совершает нечто, чего не ожидали даже учёные.