Дыхание бездны: спустя 50 лет астрономы наконец поймали ветер чёрной дыры в центре Млечного Пути

Полвека поисков, и вот он — долгожданный прорыв. Астрономы обнаружили наконец убедительные доказательства существования мощных ветров, дующих от Стрельца А* — сверхмассивной чёрной дыры в сердце нашей галактики. Открытие углубляет понимание физических процессов, происходящих как в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр, так и в самом центре Млечного Пути.

Учёные давно предполагали, что, поглощая материю, чёрные дыры вырабатывают энергию, которая выталкивает вещество прочь. Этот процесс окрестили «ветрами чёрных дыр». Теоретически он должен работать и для Стрельца А*, который сидит на настолько скудной диете из газа и пыли, что для человека её эквивалентом было бы одно рисовое зёрнышко раз в миллион лет. Проблема заключалась в том, что собрать доказательства этих ветров, дующих сквозь центр Галактики, не удавалось — загадка мучила астрономов около полувека. До сих пор.

«Если чёрная дыра не существует в идеальном вакууме, она обязана каким-то образом испускать ветер. А идеального вакуума во Вселенной не бывает», — пояснил соруководитель группы, исследователь Северо-Западного университета Марк Горски. — С новыми наблюдениями мы впервые получили достаточно чистую картину, чтобы увидеть отпечаток этого ветра. Мы взглянули на данные и сказали: "Вот оно. То, что все искали 50 лет"».

Увидеть ветер чёрной дыры — задача не из лёгких

Учёным уже давно известно, что питающиеся чёрные дыры запускают мощные оттоки вещества — как джеты, так и ветры. Ветры возникают, когда падающая материя разгоняется до околосветовых скоростей, создавая давление, которое выталкивает приближающееся вещество обратно. Это явление наблюдали у прожорливо питающихся чёрных дыр, но не у едва клюющего Стрельца А*. Его скудное потребление материи и тот факт, что от нас его заслоняет плоскость Млечного Пути, делали регистрацию ветра чрезвычайно сложной.

Коллега Горски и соруководитель группы Лена Мурчикова отметила, что учёные первыми обнаружили молекулярный газ в непосредственной близости от Стрельца А*, который питает сверхмассивную чёрную дыру. Это делает нашу чёрную дыру обнадёживающе похожей на собратьев.

«Ветер не мощный, и его направление, вероятно, блуждает со временем. Но это показывает, что наша чёрная дыра не уникальна, а наше место во Вселенной — не особенное, — добавила Мурчикова. — Чтобы наблюдать собственную чёрную дыру, нам приходится смотреть сквозь плоскость галактики. Это значит — продираться взглядом через газ, пыль и ионизированные структуры, а разглядеть что-то сквозь всё это непросто».

Трёхсветовой конус пустоты

Чтобы справиться с трудностями, команда обратилась к пятилетнему архиву глубоких наблюдений центра Млечного Пути, собранных Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решёткой (ALMA) — системой из 66 радиотелескопов на севере Чили. Эти данные дали самое чёткое на сегодня изображение холодного молекулярного газа в пределах примерно трёх световых лет от Стрельца А*.

Один аспект наблюдений ошеломил учёных: в облаке холодного газа зияла конусообразная полость длиной в три световых года. Они рассудили, что эту полость должен был вычистить более горячий газ в ветре чёрной дыры, проносящемся сквозь область — либо выталкивая холодный газ перед собой, либо нагревая его.

«Если вы выдуваете горячее вещество из чёрной дыры, оно не захочет сосуществовать с холодным, — объяснил Горски. — Оно либо вытолкнет холодное вещество прочь, либо нагреет его. А если газ станет слишком горячим, вы перестанете видеть холодный».

Область вокруг Стрельца А* набита звёздами — и звёзды тоже испускают звёздные ветры, — но команда подсчитала: энергии этих ветров недостаточно, чтобы вырезать полость такого размера. «Это огромная зона отсутствия вещества. Мы вычислили, сколько энергии потребовалось бы для создания такой полости. Этого больше, чем могут обеспечить звёзды в этом районе, — пояснил Горски. — По сути, должен быть вклад сверхмассивной чёрной дыры. И если проследить форму конуса, он указывает прямо на неё».

Рентгеновское подтверждение

Чтобы перепроверить результаты, учёные обратились к наблюдениям той же области, выполненным космическим рентгеновским телескопом NASA «Чандра». «Исключительные заявления требуют исключительных доказательств, — сказал Горски. — Мы хотели убедиться, что перед нами не какой-то артефакт изображения. И тут рентгеновский снимок "Чандры" встал идеально. Молекулярные структуры совпали».

Это подтвердило данные ALMA: рентгеновское излучение исходило именно из района полости в холодном газе.

«Когда находишь то, чего никто раньше не видел, первая мысль не "Боже мой, мы совершили открытие", — призналась Мурчикова. — Она такая: "Боже мой, что не так с моим анализом?" Но когда мы наложили наше изображение на рентгеновский снимок, всё начало обретать смысл».

Хотя результаты подтверждают, что Стрелец А* чрезвычайно тих по сравнению со сверхмассивными чёрными дырами в ярких, турбулентных областях других галактик — активных галактических ядрах, — этот чёрный ветер оказался весьма нешуточным. Учёные полагают, что он бушует уже около 20 тысяч лет.

«Большинство других галактик проводят основную часть своей жизни в состоянии, когда они не особенно активны, — сказала Мурчикова. — Но мы видим их только в фазе фейерверка. Изучать чёрные дыры в стадии фейерверка очень заманчиво, но это не их доминирующее состояние. Стрелец А* наконец даёт нам окно в жизнь чёрной дыры в спокойной фазе».

Исследование опубликовано в четверг, 4 июня, в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Тихая сила, формирующая галактику

Открытие ветра у Стрельца А* важно не только потому, что оно закрывает полувековой гештальт астрономов. Оно в корне меняет представление о том, как ведут себя «сытые» и «голодные» чёрные дыры. Оказывается, даже чёрная дыра, сидящая на астрономическом аналоге голодного пайка, способна порождать структуры галактического масштаба. Три световых года — это почти расстояние от Солнца до ближайшей звезды.

Тот факт, что ветер дует уже двадцать тысячелетий, позволяет предположить, что спокойствие Стрельца А* обманчиво. Возможно, прямо сейчас, пока мы всматриваемся в центр Галактики, эта невидимая сила перемешивает межзвёздную среду, влияя на звёздообразование в окрестностях ядра. И кто знает, сколько ещё таких «тихих» процессов ускользает от нашего взгляда лишь потому, что мы привыкли искать лишь ослепительные вспышки.