Черная дыра созвездие стрельца

Стрелец A * (произносится «Стрелец A-Star», сокращенно Sgr A * ) представляет собой яркий и очень компактный астрономический источник радио в Галактическом Центре по Млечному Пути . Он расположен недалеко от границы созвездий Стрельца и Скорпиона , примерно в 5,6 ° к югу от эклиптики . Стрелец A * — это место расположения сверхмассивной черной дыры , похожей на те, что находятся в центрах большинства, если не всех, спиральных и эллиптических галактик .

Наблюдения нескольких звезд, вращающихся вокруг Стрельца A *, в частности звезды S2 , использовались для определения массы и верхних пределов радиуса объекта. Основываясь на массе и все более точных пределах радиуса, астрономы пришли к выводу, что Стрелец A * является центральной сверхмассивной черной дырой Млечного Пути.

Райнхард Гензель и Андреа Гез были удостоены Нобелевской премии по физике 2020 года за открытие, что Sgr A * является сверхмассивным компактным объектом, единственное известное объяснение этому — черная дыра .

СОДЕРЖАНИЕ

Наблюдение и описание

Астрономы смогли наблюдать Sgr А * в оптическом спектре вследствие эффекта 25 величин от исчезновения по пыли и газа между источником и Землей. Несколько групп исследователей попытались отобразить Sgr A * в радиочастотном спектре, используя интерферометрию с очень длинной базой (РСДБ). Текущее измерение с самым высоким разрешением (приблизительно 30 мкАс ), выполненное на длине волны 1,3 мм , показало общий угловой размер источника 50 мкАс. На расстоянии 26 000 световых лет получается диаметр 60 миллионов километров. Для сравнения: Земля находится в 150 миллионах километров от Солнца , а Меркурий — в 46 миллионах километров от Солнца в перигелии . Собственное движение от Sgr A * составляет примерно -2,70 мас в год для восхождений и -5.6 мас в год для склонения .

В 2017 году, прямые изображения радио были взяты из Стрельца А * и М87 * на Horizon Telescope Event . Телескоп Event Horizon использует интерферометрию для комбинирования изображений, полученных из широко разнесенных обсерваторий в разных местах на Земле, чтобы получить более высокое разрешение изображения. Есть надежда, что эти измерения проверит теорию относительности Эйнштейна более строго, чем это делалось ранее. Если будут обнаружены расхождения между теорией относительности и наблюдениями, ученые, возможно, определили физические обстоятельства, при которых теория не работает.

В 2019 году измерения, проведенные с помощью воздушной широкополосной камеры высокого разрешения (HAWC +), показали, что магнитные поля вызывают окружающее кольцо из газа и пыли, температура которого колеблется от −280 ° F (−173,3 ° C) до 17500 ° F. (9700 ° C), чтобы выйти на орбиту вокруг Стрельца A *, сохраняя низкий уровень выбросов черных дыр.

История

Карл Янский , которого считают отцом радиоастрономии, в августе 1931 года обнаружил, что радиосигнал идет от места в направлении созвездия Стрельца к центру Млечного Пути. Радиоисточник позже стал известен как Стрелец . Его наблюдения не простирались так далеко на юг, как мы теперь знаем, что это Центр Галактики. Наблюдения Джека Пиддингтона и Гарри Миннетта с помощью радиотелескопа CSIRO на водохранилище Поттс-Хилл в Сиднее обнаружили дискретный и яркий радиоисточник «Стрелец-Скорпион», который после дальнейших наблюдений с помощью 80-футового радиотелескопа CSIRO на Дувр-Хайтс был идентифицирован в письмо к Природе как вероятному Галактическому Центру.

Более поздние наблюдения показали, что Стрелец А на самом деле состоит из нескольких пересекающихся подкомпонентов; Яркий и очень компактный компонент Sgr A * был открыт 13 и 15 февраля 1974 года астрономами Брюсом Баликом и Робертом Брауном с использованием базового интерферометра Национальной радиоастрономической обсерватории . Название Sgr A * было придумано Брауном в статье 1982 года, потому что радиоисточник был «возбуждающим», а возбужденные состояния атомов обозначены звездочками.

С 1980-х годов было очевидно, что центральный компонент Sgr A *, вероятно, является черной дырой. Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия, выполненная группой из Беркли с участием лауреата Нобелевской премии Чарльза Х. Таунса и будущего лауреата Нобелевской премии Рейнхарда Гензеля, показала, что масса должна быть очень сильно сконцентрирована, возможно, точечная масса.

16 октября 2002 года международная группа во главе с Рейнхардом Гензелем из Института внеземной физики Макса Планка сообщила о наблюдении за движением звезды S2 около Стрельца A * в течение десяти лет. Согласно анализу команды, данные исключили возможность того, что Sgr A * содержит скопление темных звездных объектов или массу вырожденных фермионов , что усиливает доказательства существования массивной черной дыры. При наблюдениях S2 использовалась ближняя инфракрасная (NIR) интерферометрия (в K-диапазоне, т.е. 2,2 мкм ) из-за уменьшения межзвездной экстинкции в этом диапазоне. SiO- мазеры использовались для согласования изображений в ближнем ИК-диапазоне с радионаблюдениями, поскольку их можно наблюдать как в ближнем ИК-диапазоне, так и в радиодиапазоне. Быстрое движение S2 (и других близлежащих звезд) легко выделялось на фоне более медленно движущихся звезд вдоль луча зрения, поэтому их можно было вычесть из изображений.

Радионаблюдения РСДБ Стрельца A * также могли быть выровнены по центру с изображениями в ближнем ИК-диапазоне, поэтому было обнаружено, что фокус эллиптической орбиты S2 совпадает с положением Стрельца A *. Изучая кеплеровскую орбиту S2, они определили, что масса Стрельца A * равна 2,6 ± 0,2 миллиона солнечных масс , заключенных в объем с радиусом не более 17 световых часов (120 а.е. ). Более поздние наблюдения звезды S14 показали, что масса объекта составляет около 4,1 миллиона солнечных масс в объеме с радиусом не более 6,25 световых часов (45 а.е.) или около 6,7 миллиарда километров . S175 прошла на таком же расстоянии. Для сравнения, радиус Шварцшильда равен 0,08 а.е. Они также определили расстояние от Земли до Галактического центра (центра вращения Млечного Пути), что важно для калибровки шкал астрономических расстояний, так как (8,0 ± 0,6) × 10 3 парсек . В ноябре 2004 года группа астрономов сообщила об открытии потенциальной черной дыры промежуточной массы , получившей название GCIRS 13E , на орбите в 3 световых годах от Стрельца A *. Эта черная дыра с массой 1300 солнечных находится в скоплении из семи звезд. Это наблюдение может поддержать идею о том, что сверхмассивные черные дыры растут, поглощая близлежащие более мелкие черные дыры и звезды.

После наблюдения за орбитами звезд вокруг Стрельца A * в течение 16 лет Gillessen et al. оценил массу объекта в 4,31 ± 0,38 миллиона солнечных масс. Результат был объявлен в 2008 году и опубликован в The Astrophysical Journal в 2009 году. Рейнхард Гензель , руководитель группы исследования, сказал, что исследование предоставило «то, что сейчас считается лучшим эмпирическим доказательством того, что сверхмассивные черные дыры действительно существуют. орбиты в Центре Галактики показывают, что центральная концентрация масс в четыре миллиона солнечных масс, вне всяких разумных сомнений, должна быть черной дырой ».

5 января 2015 года НАСА сообщило о наблюдении рентгеновской вспышки в 400 раз ярче, чем обычно, рекордной для Sgr A *. По мнению астрономов, необычное событие могло быть вызвано разрушением астероида, падающего в черную дыру, или запутыванием силовых линий магнитного поля внутри газа, втекающего в Sgr A *.

13 мая 2019 года астрономы, использующие обсерваторию Кека, засвидетельствовали внезапное повышение яркости Sgr A *, которое стало в 75 раз ярче, чем обычно, что свидетельствует о том, что сверхмассивная черная дыра могла столкнуться с другим объектом.

Центральная черная дыра

В статье, опубликованной 31 октября 2018 года, было объявлено об открытии неопровержимых доказательств того, что Стрелец A * является черной дырой. Используя интерферометр GRAVITY и четыре телескопа Очень большого телескопа (VLT) для создания виртуального телескопа диаметром 130 метров, астрономы обнаружили сгустки газа, движущиеся со скоростью примерно 30% от скорости света. Эмиссия высокоэнергетических электронов очень близко к черной дыре была видна в виде трех ярких ярких вспышек. Это точно соответствует теоретическим предсказаниям для горячих точек, вращающихся вблизи черной дыры с массой четыре миллиона солнечных масс. Считается, что вспышки происходят из-за магнитных взаимодействий в очень горячем газе, вращающемся очень близко к Стрельцу A *.

В июле 2018 года сообщалось, что S2, вращающийся вокруг Sgr A *, был зарегистрирован на скорости 7650 км / с, или 2,55% скорости света , что привело к сближению с перицентром , в мае 2018 года, примерно на 120 а.е. (примерно 1400 радиусов Шварцшильда). ) от Sgr A *. При этом близком расстоянии от черной дыры, Эйнштейн теория «х общей теории относительности (ОТО) предсказывает , что S2 покажет ощутимое гравитационное красное смещение в дополнении к обычной скорости красному смещению; было обнаружено гравитационное красное смещение, что согласуется с предсказанием ОТО с точностью измерения 10 процентов.

Если предположить, что общая теория относительности по-прежнему является достоверным описанием гравитации вблизи горизонта событий, радиоизлучение Стрельца A * не сосредоточено на черной дыре, а возникает из яркого пятна в области вокруг черной дыры, близко к горизонту событий, возможно, в аккреционном диске или в релятивистской струе материала, выброшенной из диска. Если бы видимое положение Стрельца A * было точно отцентрировано на черной дыре, можно было бы увидеть ее увеличенной сверх ее размера из-за гравитационного линзирования черной дыры. Согласно общей теории относительности , это приведет к образованию кольцевой структуры, диаметр которой примерно в 5,2 раза больше радиуса Шварцшильда черной дыры . Для черной дыры с массой около 4 миллионов солнечных масс это соответствует размеру примерно 52 μas , что согласуется с наблюдаемым общим размером около 50 μas.

Недавние наблюдения с более низким разрешением показали, что радиоисточник Стрельца A * симметричен. Моделирование альтернативных теорий гравитации показывает результаты, которые может быть трудно отличить от ОТО. Однако в статье 2018 года предсказывается изображение Стрельца A *, которое согласуется с недавними наблюдениями; В частности, этим объясняются малые угловые размеры и симметричная морфология источника.

Масса Стрельца A * оценивалась двумя разными способами:

1. Две группы — в Германии и США — наблюдали за орбитами отдельных звезд, очень близких к черной дыре, и использовали законы Кеплера для определения внутренней массы. Немецкая группа обнаружила массу 4,31 ± 0,38 миллиона солнечных масс, тогда как американская группа обнаружила 3,7 ± 0,2 миллиона солнечных масс. Учитывая, что эта масса заключена в сфере диаметром 44 миллиона километров, это дает плотность в десять раз выше, чем предыдущие оценки.
2. Совсем недавно измерение собственных движений выборки из нескольких тысяч звезд в пределах примерно одного парсек от черной дыры в сочетании со статистической техникой дало как оценку массы черной дыры на 3,6 +0,2
   -0,4 × 10 6 M _☉ , плюс распределенная масса в центральном парсеке, равная (1 ± 0,5) × 10 6 M _☉ . Считается, что последний состоит из звезд и звездных остатков .

Сравнительно небольшая масса этой сверхмассивной черной дыры , а также низкая светимость линий радио и инфракрасного излучения подразумевают, что Млечный Путь не является сейфертовской галактикой .

В конечном счете, то, что мы видим, — это не сама черная дыра, а наблюдения, которые согласуются только в том случае, если рядом с Sgr A * присутствует черная дыра. В случае такой черной дыры наблюдаемая радио- и инфракрасная энергия исходит от газа и пыли, нагретых до миллионов градусов при падении в черную дыру. Считается, что сама черная дыра испускает только излучение Хокинга при незначительной температуре, порядка 10 -14 кельвинов .

Европейское космическое агентство «с гамма- обсерватории ИНТЕГРАЛ наблюдали гамма — лучи , взаимодействующие с рядом гигантского молекулярного облака Стрелец В2 , вызывая рентгеновское излучение из облака. Полная светимость от этой вспышки ( L ≈ 1,5 × 10 39 эрг / с) оценивается в миллион раз больше, чем текущий световой поток от Sgr A *, и сравнима с типичным активным ядром галактики . В 2011 году этот вывод был подтвержден японскими астрономами, наблюдавшими центр Млечного Пути с помощью спутника Сузаку .

В июле 2019 года астрономы сообщили о находке звезды S5-HVS1 , движущейся 1755 км / с (3,93 миллиона миль в час). Звезда находится в Журавль (или кран) созвездия в южной части неба, и около 29000 световых лет от Земли, и , возможно, было движение из Млечного Пути галактики после взаимодействия с Стрельца А *, сверхмассивной черной дыры в центре галактики.

В исследовании, принятом к публикации в мае 2021 года, постулируется, что центр Sgr A * на самом деле может быть скоплением темной материи, а не черной дырой, как это принято в настоящее время. Это было получено в результате наблюдения орбит объектов S2 и G2.

Звезды на орбите

На близкой орбите вокруг Стрельца A * находится ряд звезд, которые в различных каталогах известны как «S-звезды». Эти звезды наблюдаются в основном в инфракрасном диапазоне K , поскольку межзвездная пыль резко ограничивает видимость в видимом диапазоне длин волн. Это быстро меняющееся поле — в 2011 году орбиты наиболее известных на тот момент звезд были нанесены на диаграмму справа, показывающую сравнение их орбит и различных орбит в Солнечной системе. С тех пор было обнаружено , что S62, а затем S4714 приближаются даже ближе, чем эти звезды.

Высокие скорости и близкое приближение к сверхмассивной черной дыре делают эти звезды полезными для установления ограничений на физические размеры Стрельца A *, а также для наблюдения эффектов, связанных с общей теорией относительности, таких как периапсальный сдвиг их орбит. Ведется активное наблюдение за возможностью приближения звезд к горизонту событий достаточно близко, чтобы их можно было разрушить, но ожидается, что ни одна из этих звезд не постигнет такая судьба. Наблюдаемое распределение плоскостей орбит S-звезд ограничивает спин Стрельца A * менее чем 10% от его теоретического максимального значения.

По состоянию на 2020 год S4714 является текущим рекордсменом по наибольшему приближению к Стрельцу A *, примерно на 12,6 а.е. (1,88 миллиарда км), почти так же близко, как Сатурн подходит к Солнцу, путешествуя со скоростью примерно 8% от скорости света. Приведенные цифры являются приблизительными, формальные неопределенности 12,6 ± 9,3 а.е. и 23 928 ± 8 840 км / с . Его орбитальный период составляет 12 лет, но экстремальный эксцентриситет в 0,985 обеспечивает близкое сближение и высокую скорость.

Выдержка из таблицы этого кластера (см. Кластер Стрелец A * ), в котором представлены наиболее известные члены. В таблице ниже id1 — это имя звезды в каталоге Gillessen, а id2 — в каталоге Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. a , e , i , Ω и ω — стандартные элементы орбиты , a измеряются в угловых секундах . Tp — эпоха прохождения перицентра, P — орбитальный период в годах, а Kmag — видимая величина звезды в K-диапазоне . q и v — расстояние до перицентра в а.е. и скорость перицентра в процентах от скорости света , а Δ обозначает стандартное отклонение соответствующих величин.

Открытие газового облака G2 на аккреционном пути

Впервые замеченное как нечто необычное на изображениях центра Млечного Пути в 2002 году, газовое облако G2, масса которого примерно в три раза больше массы Земли, было подтверждено, что оно, вероятно, движется по курсу, ведущему в зону аккреции Sgr A. * в статье, опубликованной в журнале Nature в 2012 году. Согласно прогнозам, его орбита приблизится к черной дыре ( перинигрикону ) в начале 2014 года, когда облако находилось на расстоянии, чуть более 3000 раз превышающем радиус события. горизонт (или ≈260 а.е., 36 световых часов) от черной дыры. Наблюдалось, что G2 разрушает с 2009 года, и некоторые предсказывали, что он будет полностью разрушен столкновением, что могло привести к значительному увеличению яркости рентгеновского и другого излучения черной дыры. Другие астрономы предположили, что газовое облако могло скрывать тусклую звезду или продукт слияния бинарных звезд, который удерживал бы их вместе против приливных сил Sgr A *, позволяя ансамблю проходить без какого-либо эффекта. В дополнение к приливным эффектам на само облако в мае 2013 года было предложено, что до своего перинигрикона G2 может испытать несколько близких столкновений с представителями популяций черных дыр и нейтронных звезд, которые, как считается, вращаются вокруг Галактического центра. предлагает некоторое представление о регионе, окружающем сверхмассивную черную дыру в центре Млечного Пути.

Средняя скорость аккреции на Sgr A * необычно мала для черной дыры такой массы, и ее можно обнаружить только потому, что она находится так близко к Земле. Считалось, что прохождение G2 в 2013 году может дать астрономам возможность узнать гораздо больше о том, как материал накапливается на сверхмассивных черных дырах. Несколько астрономических объектов наблюдали этот самый близкий подход, причем наблюдения были подтверждены с помощью Chandra , XMM , VLA , INTEGRAL , Swift , Fermi и запрошены на VLT и Keck .

Моделирование прохода было выполнено до того, как оно произошло, группами из ESO и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL).

Когда облако приблизилось к черной дыре, доктор Дэрил Хаггард сказал: «Приятно иметь что-то, что больше похоже на эксперимент», и выразил надежду, что взаимодействие произведет эффекты, которые предоставят новую информацию и понимание.

Ничего не наблюдалось во время и после самого близкого приближения облака к черной дыре, которое было описано как отсутствие «фейерверков» и «провал». Астрономы из группы галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе опубликовали наблюдения, полученные 19 и 20 марта 2014 года, в результате чего был сделан вывод, что G2 все еще не поврежден (в отличие от предсказаний простой гипотезы газового облака) и что в облаке, вероятно, есть центральная звезда.

Анализ , опубликованный 21 июля 2014 года, на основе наблюдений в ESO «S Very Large Telescope в Чили, заключенный в качестве альтернативы , что облако, а не в изоляции, может быть плотной комок в непрерывном , но тоньше потоке материи, и будет действуют как постоянный ветерок на диске вещества, вращающемся вокруг черной дыры, а не как внезапные порывы, которые могли бы вызвать высокую яркость при столкновении, как первоначально ожидалось. Подтверждая эту гипотезу, G1, облако, которое прошло около черной дыры 13 лет назад, имело орбиту, почти идентичную G2, согласованную с обоими облаками, и газовый хвост, который, как считается, следует за G2, причем все они представляют собой более плотные сгустки в одном большом газе. поток.

Профессор Андреа Гез и др. В 2014 году предположил, что G2 — это не газовое облако, а пара двойных звезд, которые вращались вокруг черной дыры в тандеме и слились в чрезвычайно большую звезду.

Источник