Стрелец A* ( лат. Sagittarius A*, Sgr A* ; произносится «Стреле́ц А со звёздочкой») — компактный радиоисточник , находящийся в центре Млечного Пути , входит в состав радиоисточника Стрелец А . Излучает также в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах. Представляет собой высокоплотный объект — сверхмассивную чёрную дыру , окружённую горячим радиоизлучающим газовым облаком диаметром около 1,8 пк . Расстояние до радиоисточника составляет (27,00 ± 0,10) тыс. св. лет , масса центрального объекта равна (4,297 ± 0,042) млн M ⊙ . Данные с радиотелескопа VLBA свидетельствуют, что непосредственно на долю самой чёрной дыры приходится минимум четверть от общей массы объекта Sgr A*, а остальная часть массы приходится на окружающую чёрную дыру материю, а также соседние с ней звёзды и облака газа .

12 мая 2022 года астрономы, проводившие наблюдения с помощью Телескопа горизонта событий , опубликовали фотографию Стрельца А*, подтвердив, что объект содержит чёрную дыру . Это второе подтверждённое изображение чёрной дыры (первое изображение — фото СМТ в галактике М87 ).

Характеристики

Расстояние: 26 996 ± 100 световых лет (8277 ± 42 парсек ) .

Радиус: не более 45 а. е. (6732 млн км), не менее 12,7 ± 1,1 млн км (радиус Шварцшильда).

Масса: (4,297 ± 0,042)⋅10 ⁶ M ⊙ .

Яркостная температура : около 1⋅10 ⁷ K.

История открытия

16 октября 2002 года международная исследовательская группа Института Макса Планка во главе с Райнером Шёделем сообщила о наблюдениях движения звезды S2 вокруг объекта Стрелец A* за десять лет. Наблюдения доказывали, что Стрелец A* — объект огромной массы . По анализу элементов орбит вначале было определено, что масса объекта составляет 2,6 млн M ⊙ , эта масса заключена в объёме не более 17 световых часов (120 а.e. ) в диаметре. Последующие наблюдения установили более точное значение массы — 3,7 млн M ⊙ , а радиус не более 6,25 светового часа (45 а.e. ) . Для сравнения: Плутон отдалён от Солнца на 5,51 светового часа . Эти наблюдения позволили предположить, что объект Стрелец A* является чёрной дырой.

В декабре 2008 года исследователи из Института внеземной физики Макса Планка опубликовали уточнённые данные о массе предполагаемой сверхмассивной чёрной дыры по результатам наблюдений за 16 лет . Она составила 4,31 ± 0,36 миллионов масс Солнца. Райнхард Генцель , руководитель группы, отметил, что это исследование является лучшим опытным свидетельством существования сверхмассивных чёрных дыр . Последние наблюдения с высоким угловым разрешением на длине волны 1,3 мм показывают , что угловой диаметр источника равен 37 микросекундам дуги , что на данном расстоянии соответствует линейному диаметру 44 млн км (ср. с перигелием орбиты Меркурия , 46 млн км). Поскольку гравитационный радиус объекта массой M равен R _g = 2,95( M / M ⊙ ) км , для данной массы он составляет (12,7 ± 1,1) млн км, и измеренный радиус источника лишь вдвое больше гравитационного радиуса центрального объекта. Это согласуется с ожидаемым существованием излучающего аккреционного диска вокруг чёрной дыры. Независимо к тем же заключениям пришла группа учёных под руководством Андреи Гез , которая вела наблюдения в Обсерватории Кека . В 2020 году за открытие данного объекта Генцелю и Гез была присуждена Нобелевская премия .

Характер движения звёзд в окрестностях Sgr A* показывает, что чёрная дыра или не вращается совсем или делает это очень медленно .

На 2021 год наиболее точные измерения массы объекта выполнены коллаборацией GRAVITY, исследовавшей в инфракрасном диапазоне движение звёзд S-скопления ( S2 , S29, S38, S55). Точное измерение параметров орбит позволило с высокой точностью оценить массу центрального тела. Она равна

${\displaystyle (4{,}297\pm 0{,}012|_{\text{stat}}\pm 0{,}04|_{\text{syst}})\times 10^{6}M_{\odot }.}$

Наблюдения в радиодиапазоне

Долгое время центр нашей Галактики, приблизительное положение которого (созвездие Стрельца) было известно по оптическим наблюдениям, не был ассоциирован ни с каким компактным астрономическим объектом.

В 1931 году Карл Янский провёл эксперименты , которые считаются началом радиоастрономии (см. История радиоастрономии ). В то время Янский работал радиоинженером на полигоне фирмы « Bell Telephone Labs ». Ему было поручено исследование направления прихода грозовых помех . Для этого Карл Янский построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Работа велась на волне 14,6 м (20,5 МГц ) . В декабре 1932 года Янский представил первые результаты, полученные на своей установке . Сообщалось об обнаружении «…постоянного шипения неизвестного происхождения». Янский утверждал, что эти помехи вызывают «шипение в наушниках, которое трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». Основываясь на 24-часовом эффекте Янский предположил, что новый источник помех в какой-то мере может быть связан с Солнцем . В двух своих следующих работах, в октябре 1933 года и октябре 1935 года, Карл Янский постепенно пришёл к заключению, что источником его новых помех является центральная область нашей галактики . Причём наибольший отклик получается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути . Янский сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн бо́льших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 м в диаметре для работы на метровых волнах. Однако его предложение не получило поддержки в США .

В 1937 году построен первый радиотелескоп с параболическим зеркалом Гроутом Ребером , радиолюбителем из (, штат Иллинойс , США). Радиотелескоп располагался в заднем дворе дома родителей Гроута, имел параболическую форму и диаметр антенны около 9 метров. С помощью инструмента Гроут построил карту неба в радиодиапазоне, на которой отчётливо видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники Лебедь A ( Cyg A ) и Кассиопея A ( Cas A ) .

В 1960 году Ян Оорт и Г. Рогур установили, что в непосредственной близости (менее 0,03°) от галактического центра находится радиоисточник Стрелец А (Sgr A) . В 1966 году Д. Даунс и А. Максвелл, обобщив данные по радионаблюдениям в дециметровом и сантиметровом диапазонах, пришли к выводу, что малое ядро Галактики представляет собой объект диаметром 10 пк , связанным с источником Стрелец-А .

К началу 1970-х годов благодаря наблюдениям в радиоволновом диапазоне было известно, что радиоисточник Стрелец-А имеет сложную пространственную структуру. В 1971 году Даунс и Мартин, проводя наблюдения на с базой 1,6 км на частотах 2,7 и 5 ГГц с разрешениями 11″ и 6″ соответственно, выяснили, что радиоисточник состоит из двух диффузных облаков, находящихся на расстоянии 1′ друг от друга: восточная часть (Sgr A) излучает радиоволновой спектр нетепловой природы, а западная (Sgr A*) представляет собой радиоизлучающее облако горячего ионизированного газа диаметром около 45″ (1,8 пк) . В 1974 году Б. Балик и С. Сандерс провели на 43-метровом радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) картографирование радиоисточника Стрелец-А на частотах 2,7 и 8,1 ГГц с разрешением 2″ . Было обнаружено, что оба радиоисточника представляют собой компактные образования диаметром менее 10″ (0,4 пк), окружённые облаками горячего газа. Изображение Стрелец A* в спектральной линии водорода (1,3-миллиметровой рекомбинационной линии H30α), полученное при помощи комплекса радиотелескопов ALMA , позволило определить, что её аккреционный диск вращается. Масса аккреционного диска может составлять 0,00001—0,0001 M ⊙ , а скорость падения материала может составлять 2,7×10 ⁻¹⁰ M ⊙ в год .

Начало наблюдений в инфракрасном диапазоне

Вплоть до конца 1960-х годов не существовало эффективных инструментов для изучения центральных областей Галактики, поскольку плотные облака космической пыли, закрывающие от наблюдателя галактическое ядро, полностью поглощают идущее из ядра видимое излучение и значительно осложняют работу в радиодиапазоне.

Ситуация коренным образом изменилась благодаря развитию инфракрасной астрономии, для которой космическая пыль практически прозрачна. Ещё в 1947 году Стеббинс и А. Уитфорд, используя фотоэлемент, сканировали галактический экватор на длине волны 1,03 мкм , однако не обнаружили дискретного инфракрасного источника . В. И. Мороз в 1961 году провёл аналогичное сканирование окрестностей Sgr A на волне 1,7 мкм и тоже потерпел неудачу . В 1966 году Е. Беклин сканировал район Sgr A в диапазоне 2,0—2,4 мкм и впервые обнаружил источник, по положению и размерам соответствовавший радиоисточнику Стрелец-А. В 1968 году Е. Беклин и Г. Нойгебауэр провели сканирование для длин волн 1,65, 2,2 и 3,4 мкм с разрешением 0,08—1,8″ и обнаружили объект сложной структуры, состоявший из основного инфракрасного источника диаметром 5′, компактного объекта внутри него, расширенной фоновой области и нескольких компактных звездообразных источников в непосредственной близости от основного источника .

В середине 1970-х годов начинается исследование динамических характеристик наблюдаемых объектов. В 1976 году Е. Воллман спектральными методами (использовалась линия излучения однократно ионизованного неона Ne II с длиной волны 12,8 мкм) исследовал скорость движения газов, в области диаметром 0,8 пк вокруг галактического центра. Наблюдения показали симметричное движение газа со скоростями около 75 км/c . По полученным данным Воллман предпринял одну из первых попыток оценить массу объекта, предположительно находящегося в центре галактики. Полученный им верхний предел массы оказался равным 4⋅10 ⁶ M ⊙ .

Обнаружение компактных инфракрасных источников

Дальнейшее увеличение разрешающей способности телескопов позволило выделить в газовом облаке, окружающем центр галактики, несколько компактных инфракрасных источников. В 1975 году Е. Беклин и Г. Нойгебауэр составили инфракрасную карту центра галактики для длин волн 2,2 и 10 мкм с разрешением 2,5″, на которой выделили 20 обособленных источников, получивших название IRS1—IRS20 . Четыре из них (1, 2, 3, 5) позиционно совпали с известными по радионаблюдениям компонентами радиоисточника Sgr A . Природа выделенных источников долгое время обсуждалась. Один из них (IRS 7) идентифицирован как молодая звезда-сверхгигант, несколько других — как молодые гиганты. IRS 16 оказался очень плотным (10 ⁶ M ⊙ на пк ³ ) скоплением звёзд-гигантов и карликов. Остальные источники предположительно являлись компактными облаками H II и планетарными туманностями, в некоторых из которых присутствовали звёздные компоненты . Продольная скорость отдельных источников лежала в пределах ±260 км/c , диаметр составлял 0,1—0,45 пк , масса 0,1—10 M ⊙ , расстояние от центра Галактики 0,05—1,6 пк . Масса центрального объекта оценивалась как 3⋅10 ⁶ M ⊙ , таким же был порядок массы, распределённой в области радиусом 1 пк вокруг центра. Поскольку вероятная ошибка при вычислении масс была того же порядка, допускалась возможность отсутствия центрального тела, при этом распределённая в радиусе 1 пк масса оценивалась как 0,8—1,6⋅10 ⁷ M ⊙ .

Последующее десятилетие характеризовалось постепенным ростом разрешающей способности оптических приборов и выявлением всё более подробной структуры инфракрасных источников. К 1985 году стало ясно, что наиболее вероятным местом нахождения центральной чёрной дыры является источник, обозначенный как IRS 16 . Были обнаружены также два мощных потока ионизированного газа, один из которых вращался по круговой орбите на расстоянии 1,7 пк от центра Галактики, а второй — по параболической на расстоянии 0,5 пк . Масса центрального тела, рассчитанная по скорости этих потоков составила 4,7⋅10 ⁶ M ⊙ по первому потоку и 3,5⋅10 ⁶ M ⊙ по второму .

Наблюдение отдельных звёзд

В 1991 году вступил в строй инфракрасный матричный детектор SHARP I на 3,5-метровом телескопе Европейской южной обсерватории (ESO) в Ла-Силла (Чили). Камера диапазона 1—2,5 мкм обеспечивала разрешение 50 угловых мкс на 1 пиксель матрицы. Кроме того, был установлен 3D-спектрометр на 2,2-метровом телескопе той же обсерватории.

С появлением инфракрасных детекторов высокого разрешения стало возможным наблюдать в центральных областях Галактики отдельные звёзды. Изучение их спектральных характеристик показало, что большинство из них относятся к молодым звёздам возрастом несколько миллионов лет. Вопреки ранее принятым взглядам, было установлено, что в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры активно идёт процесс звездообразования. Полагают, что источником газа для этого процесса являются два плоских аккреционных газовых кольца, обнаруженных в центре Галактики в 1980-х годах. Однако внутренний диаметр этих колец слишком велик, чтобы объяснить процесс звездообразования в непосредственной близости от чёрной дыры. Звёзды, находящиеся в радиусе 1″ от чёрной дыры (так называемые « S-звёзды ») имеют случайное направление орбитальных моментов, что противоречит аккреционному сценарию их возникновения. Предполагается, что это горячие ядра красных гигантов , которые образовались в отдалённых районах Галактики, а затем мигрировали в центральную зону, где их внешние оболочки были сорваны приливными силами чёрной дыры .

К 1996 году были известны более 600 звёзд в области диаметром около парсека (25″) вокруг радиоисточника Стрелец А*, а для 220 из них были надёжно определены радиальные скорости. Оценка массы центрального тела составляла 2—3⋅10 ⁶ M ⊙ , радиуса — 0,2 св. лет .

В октябре 2009 года разрешающая способность инфракрасных детекторов достигла 0,0003″ (что на расстоянии 8 кпк соответствует 2,5 а. е.). Число звёзд в пределах 1 пк от центра Галактики, для которых измерены параметры движения, превысило 6000 .

Рассчитаны точные орбиты для ближайших к центру Галактики 28 звёзд, наиболее интересной среди которых является звезда S2 . За время наблюдений (1992—2021), она сделала почти два полных оборота вокруг чёрной дыры, что позволило с большой точностью оценить параметры её орбиты. Период обращения S2 составляет 15,8 ± 0,11 года , большая полуось орбиты 0,12495′′ ± 0,00004′′ (1000 а. е.), эксцентриситет 0,88441 ± 0,00006 , максимальное приближение к центральному телу 0,014443′′ или 119,54 а. е. Орбиты S2 и других звёзд S-скопления (S29, S38, S55) оказались близкими к кеплеровским орбитам, хотя наблюдаются и релятивистские поправки (в частности, шварцшильдовская прямая прецессия орбиты). Ретроградная (ньютоновская) прецессия орбит, которая присутствовала бы при наличии достаточно большой распределённой массы вблизи перицентров, не наблюдается; это означает, что почти вся масса, влияющая на движение звёзд, сосредоточена в центре. Измерения исключают (со значимостью 3σ) существование распределённой массы более 7500 M ⊙ внутри орбиты S2 . Точное измерение параметров орбит позволило с высокой точностью оценить массу центрального тела. По последним оценкам (2021) она равна

${\displaystyle (4{,}297\pm 0{,}012|_{\text{stat}}\pm 0{,}04|_{\text{syst}})\times 10^{6}M_{\odot },}$

со статистической погрешностью 0,012 млн масс Солнца и систематической погрешностью 0,04 млн M ⊙ .

Вклад в погрешности вносят, в частности, ошибки измерений расстояния от Солнца до Стрельца А*; наиболее точные современные оценки этого расстояния дают

${\displaystyle R_{0}=8277\pm 9|_{\text{stat}}\pm 30|_{\text{syst}}}$ пк .

Гравитационный радиус чёрной дыры массой 4⋅10 ⁶ масс Солнца составляет примерно 12 млн км , или 0,08 а. е., то есть в 1400 раз меньше, чем ближайшее расстояние, на которое подходила к центральному телу звезда S2. Однако среди исследователей практически нет сомнений, что центральный объект не является скоплением звёзд малой светимости, нейтронных звёзд или чёрных дыр, поскольку они, будучи сконцентрированными в таком малом объёме, неизбежно слились бы за короткое время в единый сверхмассивный объект, который не может быть ничем иным, кроме чёрной дыры.

В ноябре 2004 года было открыто скопление из семи звёзд, которое движется по орбите на расстоянии 3 световых лет вокруг объекта Стрелец A*. Возможно, оно представляет собой ядро бывшего массивного звёздного скопления, разрушенного приливными силами . Движение этих звёзд относительно друг друга показывает, что в скопление входит чёрная дыра промежуточной массы M = 1300 M ⊙ .

Также определённый интерес представляют наблюдения звезды S62 . S62 подходит к СЧД так близко, что разгоняется до приблизительно 10 % скорости света. Статья с описанием параметров звезды S62 вышла в начале 2020 года .

Радионаблюдения с максимальным угловым разрешением

Учёные из Астрокосмического центра ФИАН , совместно с учёными из университета Калифорнии в Санта-Барбаре и из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра работают над увеличением углового разрешения элементов объекта Стрелец A* в рамках международного проекта « Радиоастрон » . По итогам изучения пульсаров с использованием «Радиоастрона» было предсказано, что на длинах радиоволн 1,3 сантиметра самый чувствительный наземно-космический радиоинтерферометр «Радиоастрон» может увидеть неоднородности размером всего 300 километров (в среде, окружающей чёрную дыру). Такие неоднородности могут создавать на газопылевом «экране» следы размером около 1 миллионной доли угловой секунды (μas), что является предельным разрешением наземно-космической системы, состоящей из орбитального 10-метрового радиотелескопа на КА «Спектр-Р», нескольких радио-обсерваторий из сети VLBA и сверхточного 100-метрового радиотелескопа Грин-Бэнк (США) . Результаты наблюдений подтвердили разрешение и показали наличие таких неоднородностей. Следующее наблюдение объекта Стрелец A* запланировано на март 2015 года, позволит получить изображение с ещё большей детализацией.

Свидетельства недавней активности

Наблюдения на космической обсерватории «Интеграл» ( Европейское космическое агентство ), выполненные российской командой астрономов под руководством Михаила Ревнивцева , показывают, что гигантское молекулярное облако Sgr B2 , находящееся вблизи Sgr A*, является источником жёсткого рентгеновского излучения, что может быть объяснено недавней высокой светимостью Sgr A* . Это означает, что в очень недавнем прошлом (300—400 лет назад) Sgr A* мог быть типичным активным галактическим ядром малой светимости ( L ≈ 1,5⋅10 ³⁹ эрг/с в диапазоне 2—200 кэВ), которая, однако, в миллион раз превышала современную светимость . Этот вывод в 2011 году подтвердили японские астрономы из Университета Киото .

При помощи приёмника GRAVITY Очень большого телескопа (VLT) зафиксировано инфракрасное излучение , испускаемое высокоэнергетическими электронами в непосредственной близости от массивного объекта Стрелец A*. Видимо, причиной трёх исключительно ярких вспышек являются магнитные взаимодействия вещества находящегося на очень близком расстоянии от горизонта событий сверхмассивной чёрной дыры и вращающегося вокруг неё со скоростью равной 30 % скорости света .

G2 (газовое облако)

Открытое в 2002 году газовое облако G2 движется в направлении зоны аккреции Sgr A* (по состоянию на 2012 год) . Этот объект намного холоднее окружающих звёзд (всего около 280 градусов по Цельсию для пыли и около 10 тыс. К для газовой компоненты ) и состоит в основном из водорода и гелия. Это пыльное ионизированное газовое облако с массой примерно в три раза больше массы Земли. Облако светится под сильным ультрафиолетовым излучением горячих звёзд вокруг него .

По расчётам орбиты, к концу 2013 года оно должно было достигнуть перицентра , в 3000 радиусах горизонта событий от чёрной дыры (около 260 а. е., 36 световых часов). За семь лет наблюдений с момента обнаружения скорость облака увеличилась вдвое, достигнув 8 млн км/ч (2,2 тыс. км/с) . Существовали разные мнения о дальнейшем развитии событий, так как взаимодействие G2 с Sgr A* плохо предсказуемо, однако G2 избежал попадания в чёрную дыру, и многими учёными не считается газовым облаком . Нарушения целостности структуры G2 наблюдались с 2009 года , и была не исключена вероятность его полного уничтожения. Аккреция G2 на Sgr A* могла привести к интенсивному излучению чёрной дыры в рентгеновском и других диапазонах в течение нескольких десятилетий. По другим предположениям, внутри облака скрывается тусклая звезда или даже чёрная дыра, массой со звезду, что усилит сопротивление приливным силам Sgr A*, и облако должно пройти мимо без всяких последствий . Также предполагается , что облако может войти во взаимодействие с ближайшим окружением чёрной дыры и популяцией нейтронных звёзд, обращающихся, как считается, вокруг галактического центра, что может принести дополнительную информацию об этом регионе .

Интенсивность аккреции на Sgr A* необъяснимо мала для чёрной дыры такой массы и может фиксироваться только благодаря её относительной близости к нам. Проход G2 около Sgr A* даст учёным шанс узнать много нового об аккреции вещества на сверхмассивные чёрные дыры. За процессом будут следить орбитальные обсерватории Чандра , XMM-Newton , Интеграл , Swift , GLAST и наземный Very Large Array . Ожидается подтверждение участия Very Large Telescope и обсерватории Кека . Симуляцией прохода занимаются ESO и LLNL . Постоянный мониторинг Sgr A* ведёт Swift: .

Однако во время и после самого близкого сближения облака с чёрной дырой ничего не наблюдалось, которое было описано как отсутствие «фейерверка» и «пшик» . Астрономы из группы Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе опубликовали наблюдения, полученные 19 и 20 марта 2014 года, и пришли к выводу, что G2 все ещё не повреждена (в отличие от предсказаний простой гипотезы газового облака) и что в облаке, вероятно, есть центральная звезда или даже пара слившихся звёзд .

Марк Моррис с коллегами из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) при помощи инструментов обсерватории Кека открыли в окрестностях Sgr A* ещё три структуры подобные G1 и G2 — G3, G4 и G5. Предположительно, такие объекты рождаются в результате слияния двойных звёзд, приблизившихся на опасное расстояние с чёрной дырой. Образовавшаяся звезда сильно «разбухает» и остаётся такой несколько миллионов лет, пока не остывает и не превращается в нормальную звезду .

Аккреция газового облака G2 на Sgr A* в художественном представлении

Это моделирование показывает газовое облако, открытое в 2011 году, когда оно проходит вблизи сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути.

Прохождение пылевого облака G2 мимо сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути

Массивные спутники Sgr A*

• В 2016 году японские астрофизики сообщили об обнаружении в Галактическом центре второй гигантской массы, вероятно, чёрной дыры. Эта чёрная дыра находится в 200 световых годах от центра Млечного Пути. Наблюдаемый астрономический объект с облаком занимает область пространства диаметром около 0,3 светового года, а его масса составляет не более 100 тысяч масс Солнца. Пока точно не установлена природа этого объекта — это чёрная дыра или иной объект .
• В 2019 году учёные из Национальной астрономической обсерватории Японии обнаружили в галактическом центре Млечного пути чёрную дыру размером с Юпитер, масса которой примерно в 32 тысячи раз больше массы Солнца . , находящаяся в 7 пк от радиоисточника Стрелец A*, является третьим случаем возможной чёрной дыры средней массы в галактическом центре после и .

Примечания

Литература

• Fulvio Melia . The Black Hole in the Center of Our Galaxy. — Princeton U Press, 2003.
• Eckart A., Schödel R., Straubmeier C. The Black Hole at the Center of the Milky Way. — Imperial College Press, London, 2005.

Ссылки

• Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer, Stefan Gillessen. // Reviews of Modern Physics . — 2010. — Т. 82 , № 4 . — С. 3121—3195 .
• // Астронет.
• Fulvio Melia . (англ.) , Princeton U Press, 2007.