Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

Мы привыкли, что звезды на небе почти всегда находятся на одном и том же месте, но это не так. На самом деле все они мчатся по Млечному Пути со скоростью десятков тысяч километров в час друг относительно друга, однако, поскольку они так далеко, человек в течение своей жизни этого не замечает.

Положения звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*, изменились всего за несколько лет, и это несмотря на то, что они находятся намного дальше от нас, чем звезды, которые мы видим поблизости. Что-то должно было заставлять эти звезды двигаться с невероятной скоростью друг относительно друга. Только гравитация черной дыры, масса которой примерно в 2,5 миллиона раз больше, чем масса Солнца, может вызвать такой эффект, утверждал Гензель [102] .

102

A. Eckart and R. Genzel. Observations of Stellar Proper Motions Near the Galactic Centre. // Nature 383 (1996): 415–17. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996Natur.383..415E.

Смещение, видимое на представленных группой Гензеля

изображениях, было минимальным. Чуть позже Андреа Гез представила результаты своей группы [103] . Гез была молодым профессором Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и незадолго до этого получила в свое распоряжение один из двух 10-метровых телескопов Кека обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях. Ее телескоп был больше, чем у Гензеля, и наблюдения на нем позволяли получить лучшие результаты, однако, начав позже, она не могла успеть заметить никакого смещения – этого пришлось ждать еще несколько лет. Но одно было уже ясно – стартовала настоящая конкуренция. В дальнейшем члены обеих групп с подозрением относились друг к другу и не показывали свои данные соперникам. На состоявшейся позже конференции эти двое наконец поднялись на подиум вместе, хотя и неохотно, и сравнили результаты, наложив диапозитивы с полученными ими изображениями друг на друга. И данные совпали! Нас это очень обнадежило.

103

B. L. Klein, A. M. Ghez, M. Morris, and E. E. Becklin. 2.2?m Keck Images of the Galaxy’s Central Stellar Cluster at 0.05 Resolution. // The Galactic Center 102 (1996): 228. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996Aspc..102..228K.

Конференция в Ла Серена оказалась “потрясающей” и в прямом смысле. В какой-то момент раздался громкий хлопок и потолок конференц-зала зловеще задрожал. Возникло ощущение, как от удара в живот. Многие из присутствующих выбежали на улицу, опасаясь, что здание может рухнуть. Это было первое землетрясение в моей жизни. Чилийцы сразу вспомнили о прошлых катаклизмах, унесших жизни многих людей. И только привычные к подобному калифорнийцы остались на своих местах. С трудом себе представляю, что могло бы случиться, если бы все не ограничилось одним этим подземным толчком.

После конференции для меня стало ясно, что в этой области должно произойти нечто интересное. Началась гонка за новыми открытиями, продлившаяся более двух десятилетий. Науке необходима система, позволяющая подвергать результаты проверке и критике, то есть система сдержек и противовесов. Конкуренция – это один из способов убедиться, что система действительно работает, а правильность результатов, полученных одной группой, проверяется соперниками. Подобно скороварке, конкуренция ускоряет развитие, но также и создает огромное физическое и психологическое давление. Конкуренция эффективна, когда разные группы находятся в более или менее одинаковых условиях. Нужны крепкие нервы, крепкое здоровье, достаточное финансирование и надежно функционирующая в течение многих лет инфраструктура. В данном случае все это наличествовало, и наше представление о работе “темных сил” в центрах галактик заметно продвинулось вперед. А как иначе мы смогли бы понять, существуют ли на самом деле черные дыры? Как иначе мы смогли бы их выследить?

Три года спустя Андреа Гез представила свои более поздние измерения движения звезд, а еще через два года стала первым астрономом, доказавшим, что звезды движутся по искривленным траекториям [104] .

Однако как именно они двигались? Нам казалось, что все звезды обращались вокруг одной точки, но в том месте, где находилась эта точка, ничего не было. Стрелец А* по-прежнему не был виден на снимках. И лишь точное сравнение данных, полученных в ближнем инфракрасном диапазоне, с радиоизмерениями, проведенными Карлом Ментеном в Бонне и Марком Рейдом в Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO) в Бостоне, показало, что точкой, вокруг которой все движется, действительно был радиоисточник Стрелец А* [105] . Все мчалось со скоростью несколько миллионов километров в час вокруг зловещего радиоисточника, неподвижно засевшего в центре [106] . Теперь стало ясно: если там и была черная дыра, то она пряталась где-то в радиоизлучении Стрельца А*!

104

A. M. Ghez, M. Morris, E. E. Becklin, A. Tanner, and T. Kremenek. The Accelerations of Stars Orbiting the Milky Way’s Central Black Hole // Nature 407 (2000): 349–51. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000Natur.407..349G.

105

Karl M. Schwarzschild, Mark J. Reid, Andreas Eckart, and Reinhard Genzel. The Position of Sagittarius A*: Accurate Alignment of the Radio and Infrared Reference Frames at the Galactic Center. // The Astrophysical Journal 475 (1997): L111–14. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1997Ap…475L.111M.

106

M. J. Reid and A. Brunthaler. The Proper Motion of Sagittarius A*. II. The Mass of Sagittarius A*. // The Astrophysical Journal 616 (2004): 872–84. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004ApJ…616..872R.

Андреа Гез также обнаружила, что одна из звезд движется по орбите с очень небольшими размерами (период ее обращения вокруг Стрельца A* составлял всего 15 лет). Ученая сообщила, что при следующем обороте эта звезда очень близко подойдет к предполагаемой черной дыре.

После этого опять настала очередь Рейнхарда Гензеля сделать следующий шаг, и он установил новую инфракрасную камеру на телескопе VLT Европейской южной обсерватории (ESO) в пустыне Атакама. Этот сухой и малонаселенный регион Чили является одним из самых неприветливых мест, какие только можно себе представить. Футуристический вид отеля ESO, в котором живет большинство

приезжающих астрономов, напоминает секретное логово суперзлодея. (И, кстати, именно такую функцию отель выполняет в фильме о Джеймсе Бонде “Квант милосердия”.) С помощью нового комплекса инструментов астрономы смогли получить там самые четкие на сегодняшний день изображения центра Млечного Пути. Они использовали адаптивную оптику, в которой деформируемое зеркало позволяет за доли секунды компенсировать искажения, вызванные влиянием атмосферы. Астрономы измерили положение звезды S2, и их усилия были вознаграждены [107] . Сравнение со старыми изображениями показало, что всего за несколько лет она переместилась по орбите вокруг Стрельца A* с радиусом 17 световых часов. Это всего в три раза больше расстояния от Плутона до нашего Солнца.

107

R. Schodel, et al. A Star in a 15.2-Year Orbit Around the Supermassive Black Hole at the Centre of the Milky Way. // Nature 419 (2002): 694–96. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002Natur.419..694S.

Звезда двигалась по эллиптической орбите вокруг мощного радиоисточника – точно так же, как, по описанию Кеплера, планеты обращаются по своим орбитам вокруг Солнца. И точно так же, как Солнце и Луна тянут земные океаны туда и сюда, создавая приливы и отливы, черная дыра притягивает океаны горячего газа пролетающей мимо звезды. На этой орбите приливной силы, создаваемой Стрельцом А*, не хватило бы, чтобы разорвать звезду S2 на части. Это могло бы произойти, только если бы она оказалась на расстоянии чуть менее 13 световых минут от черной дыры. Но даже на такой орбите Стрелец А* притягивал эту маленькую звезду с чудовищной силой: ей пришлось развить невероятную скорость – более 7 500 километров в секунду! – то есть за один час она преодолевает расстояние в 27 миллионов километров. Зная скорость и расстояние звезды до Стрельца А* и применив старые добрые законы, выведенные Кеплером и Ньютоном, ученые вычислили массу Стрельца А*. Она оказалась равной 3,7 миллиона солнечных масс. На этот раз расчет дал более высокую, чем предыдущие, оценку для массы. Мое сердце запрыгало от радости, поскольку это означало, что и горизонт событий черной дыры также будет больше и его будет легче увидеть. Но погрешность измерений все равно была слишком велика: масса могла отличаться от расчетной на 1,5 миллиона солнечных масс в каждую сторону.

От предсказаний Дональда Линден-Белла и Мартина Риса, сделанных в 1970-е годы, эти измерения отделяли целых тридцать лет. Теперь, когда научное сообщество получило представление о танцах звезд вокруг предполагаемой черной дыры, оно постепенно начало понимать, что происходит там, в космосе. Эта черная дыра стала главной “звездой” всего Млечного Пути, а астрономы превратились в папарацци, взволнованно рапортующих о каждом движении Стрельца А*.

Примерно в это же время команда Андреа Гез обнаружила звезду, которая обращалась даже немного ближе к галактическому центру. Ей требовалось менее двенадцати лет, чтобы обогнуть центр Млечного Пути, и двигалась она по своей орбите со скоростью, равной одной сотой скорости света [108] . С помощью телескопа, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне, члены группы Гензеля смогли наконец уловить слабое мерцание именно в том месте, где находился источник радиоизлучения [109] . Теперь мы могли зарегистрировать Стрелец А* не только в радиочастотном свете, но и в почти видимом – ближнем инфракрасном диапазоне. Рентгеновские телескопы в космосе также начали регистрировать мерцание на краю темной области [110] . В течение нескольких минут яркость излучения увеличивалась, а затем оно снова тускнело. Излучение могло исходить только из области шириной всего в одну световую минуту, и это значило, что данная область не могла быть намного шире горизонта событий. Наблюдая за захватывающим космическим зрелищем, я подумал, что это похоже на окутывающую черную дыру грозовую тучу, в которой то и дело вспыхивают молнии, озаряющие окружающее пространство. Но разрешения одного телескопа было недостаточно, чтобы точно определить, что именно там происходит.

108

L. Meyer, et al. The Shortest-Known-Period Star Orbiting Our Galaxy’s Supermassive Black Hole. // Science 338 (2012): 84. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2012Sci…338…84M.

109

R. Genzel, et al. Near-Infrared Flares from Accreting Gas Around the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre. // Nature 425 (2003): 934–37. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Natur.425..934G.

110

F. K. Bagano, et al. Rapid X-Ray Flaring from the Direction of the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre. // Nature 413 (2001): 45–48. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001Natur.413…45B.

И вот группа Гензеля из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге вместе с коллегами из Франции и Германии, которыми руководил блестящий конструктор приборов Фрэнк Айзенхауэр, приступила к созданию технологически невероятно сложного и трудоемкого проекта по усовершенствованию оптических телескопов. Проект назывался GRAVITY и должен был позволить Гензелю с сотрудниками, соединив все четыре гигантских телескопа на горе в Чили, использовать их как единую систему, вместо того чтобы делать наблюдения на одном 8-метровом телескопе. И в 2016 году им это удалось!

Будучи в конце 2017 года в Мюнхене, я впервые смог своими глазами увидеть, как день за днем перемещается звезда S2. Невероятно впечатляющее зрелище для астронома! Эти данные подтвердили вывод о том, что масса Стрельца А* действительно равна примерно 4 миллионам масс Солнца. Погрешность новых измерений составляла менее 1 процента. Давайте задумаемся на мгновение и восхитимся: теперь мы знаем массу черной дыры в центре нашего Млечного Пути с большей точностью, чем многие из нас знают собственный вес!