Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уильям Уоллер

Но самые убедительные свидетельства существования сверхмассивных черных дыр мы найдем в центре Млечного Пути, поскольку он в 90 с лишним раз ближе, чем центр любой другой гигантской галактики, и его можно изучить гораздо более подробно. При помощи огромных телескопов «Кек», расположенных на Гавайях — на вершине горы Мауна-Кеа, — Группа галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Андреа Гез более 10 лет отслеживала самые далекие звезды Галактики. В частности, звезда S0-2 находится на расстоянии 0,0019 светового года (120 а. е.) от центра Млечного Пути. Эта протяженность эквивалентна радиусам орбит некоторых транснептуновых объектов в самых отдаленных уголках нашей Солнечной системы. И если учесть такое расстояние, то стремительная скорость S0-2, составляющая 2,5 % от скорости света, позволяет астрономам предположить, что в этой области находится сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн M⊙. (В 2020 году Андреа Гез и Райнхард Генцель получили за это достижение Нобелевскую премию по физике.)

Совсем недавно группа Калифорнийского университета в Лос- Анджелесе построила кинематическую модель орбитального движения звезды S0-2 в трехмерном пространстве. Эта дополнительная информация показала, что траектория движения S0-2 согласуется не с законом обратных квадратов Ньютона, а с теорией относительности Эйнштейна. Эйнштейновское искривление пространства-времени в присутствии столь концентрированного вещества по-прежнему дает нам наилучшую модель, благодаря которой мы понимаем, как ведут себя материя и свет вблизи черных дыр.

В 2019 году в мировой прессе широко освещались еще более важные новости, касающиеся сверхмассивных черных дыр. 10 апреля команда проекта «Телескоп горизонта событий» объявила, что им удалось получить изображение сверхмассивной черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Объединив радиосигналы из восьми обсерваторий, расположенных в разных точках планеты, команда смогла создать снимок с достаточно мелкими деталями, чтобы можно было рассмотреть черную дыру (см. eventhorizontelescope.org). Световое кольцо, заметное на снимке, астрономы интерпретируют как гравитационно линзированное излучение, исходящее от вещества, расположенного сразу за горизонтом событий черной дыры. Команда нацелила свои радиотелескопы и на гораздо более близкую сверхмассивную черную дыру в Млечном Пути. Однако на момент написания этого текста они еще не сообщили о каких-либо результатах.

Гравитационное излучение

За время работы над этой книгой область гравитационно-волновой астрономии превратилась из «погони за химерами» в признанную науку огромной важности. Гравитационное излучение было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году как основной результат его теории относительности, в которой ньютоновские силы заменяются искривлением пространства-времени в присутствии материи. Эта же теория предсказывала, что любое асимметричное возмущение в расположении гравитирующей материи вызовет серию распространяющейся наружу «ряби» в ткани пространства-времени — гравитационную волну. Экспериментальные поиски гравитационного излучения начались в конце 1960-х годов, но только в конце 1980-х годов мы начали создавать достаточно точные приборы. Необходимая точность невероятна, поскольку воздействие проходящей гравитационной волны от удаленного источника искривит ткань пространства-времени на Земле на уровнях, меньших 1 % диаметра протона!

14 сентября 2015 года в двух отделениях Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), одновременно зафиксировали гравитационно-волновой «писк», длившийся менее секунды, с резко возросшей частотой. Источник этого сигнала, согласно самым лучшим моделям, был определен как пара закручивающихся по спирали и сливающихся черных дыр. Их массы были эквивалентны 36 и 29 M⊙, что помещает их в верхнюю категорию черных дыр звездной массы. За это удивительное достижение, к которому команда LIGO готовилась 25 лет, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

17 августа 2017 года две обсерватории LIGO и недавно введенная в эксплуатацию обсерватория VIRGO в Италии обнаружили более слабое, но гораздо более продолжительное гравитационное излучение от двух сливающихся нейтронных звезд. Третья гравитационно-волновая обсерватория позволила астрономам провести триангуляцию области неба, в которой находился источник, чтобы проводить последующие телескопические наблюдения по всему электромагнитному спектру. Оказалось, что в эллиптической галактике, отдаленной от нас на 130 млн световых лет, произошло интенсивное слияние. Это привело к образованию килоновой, которую можно было отслеживать в обсерваториях с помощью гамма-телескопов и рентгеновских телескопов. Гигантский взрыв высвободил огромное облако нейтронов, которые затем вновь собрались в «бродячий цирк» тяжелых атомных ядер. Теперь некоторые астрофизики считают, что золото в наших ювелирных изделиях и уран в наших реакторах родились из подобных столкновений нейтронных звезд.

С первого открытия, произошедшего в 2015 году, мы обнаружили гравитационно-волновые сигналы от более чем двадцати случаев слияния. Тем временем по всему миру в режиме реального времени создаются новые инструменты. И именно сейчас зарождается гравитационно-волновая астрономия, которая обещает найти гораздо больше остатков слившихся и взорвавшихся компактных звезд — это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, — а также охарактеризовать коллапс ядра сверхновых, понять процессы нуклеосинтеза тяжелых элементов, отследить слияния сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и, возможно, когда-нибудь выявить сам Большой взрыв.

Темная материя

Вероятность существования темной материи в галактиках и в более обширном космосе становится все более очевидной. Исторически сложилось так, что первое научно обоснованное предположение о невидимой форме материи сделал в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, славившийся своей вспыльчивостью. С помощью представления об этой материи, которую мы сейчас именуем «темной», Цвикки, сотрудник Калифорнийского технологического института, объяснял высокие скорости движения галактик в изобилующих ими галактических скоплениях. Целый рой этих галактик обладал такой скоростью, ограничить которую гравитация видимых звезд, газа и пыли внутри них просто не могла, — и, по всей видимости, в скоплениях присутствовало что-то еще. Цвикки назвал это «скрытой массой», но на самом деле она не скрывается, а скорее присутствует в некой странно «темной» форме.

В 1970-х годах Вера Рубин и Кент Форд из Института Карнеги обнаружили, что звезды в отдельных спиральных галактиках движутся по орбите вокруг соответствующих галактических центров с такой скоростью, что никакая видимая материя, присутствующая в этих галактиках, была не в силах удержать их на местах. Эти исследователи также предположили, что некая невидимая субстанция предоставляет необходимый гравитационный «клей». Их идея получила дальнейшую поддержку, когда радиоастрономы вычислили орбиты газовых облаков в спиральных галактиках и когда оказалось, что радиусы этих орбит выходят далеко за пределы звезд, а кривые вращения, вопреки ожидаемому радиальному падению скоростей, оставались устойчиво ровными (рис. 13.2).

Для меня решающим аргументом в пользу того, что темная материя пронизывает и галактики, и межгалактическое пространство, стали снимки «Хаббла», которые случайно оказались на луче зрения, направленном к более отдаленным галактикам. На них слабо различимы фоновые объекты, которые смешиваются с галактиками на переднем плане. Наблюдаемое искривление этих объектов можно в полной мере