Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Наше место в этом мире
Круговорот газа и пыли во вселенной

Газовое облако скоро упадет в черную дыру в центре нашей Галактики

    Совсем скоро блуждающий поток газа и пыли будет затянут внутрь черной дыры, притаившейся в самом сердце нашей Галактики. Никто еще не наблюдал в подробностях за таким событием, никто не знает доподлинно, что случится. И это вызывает огромный интерес у астрономов.
    Черные дыры, самые загадочные объекты во Вселенной, образуются при коллапсе звезд. Внутри них пространство и время перестают существовать в привычном для нас виде. Гравитация там настолько сильна, что из ее тисков нe в состоянии вырваться ничто, даже свет. Это значит, что астрономы не могут их наблюдать непосредственно — об их зловещем присутствии говорит лишь тяготение, влияющее на движение соседних звезд.

Гигантское газовое облако и черная дыра (так этот процесс увидел художник)
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Мы никогда полностью не поймем, что происходит внутри черных дыр: экспедиция туда — это путешествие в один конец. Но мы надеемся лучше понять то, что происходит вокруг них. Черные дыры растут, поглощая материю, порой целые звезды, но чаще облака газа и пыли. И столкновение газового облака с черной дырой в центре нашей Галактики, обозначаемом как Стрелец А*, - лучшая возможность проследить за этим безумным пиршеством.
    Стрелец А* - единственная сверхмассивная черная дыра, которую можно наблюдать в деталях. Она находится всего в 26 тыс. световых лет, или в 250 квадриллионах километров, от Земли — совсем недалеко по космическим меркам. Так что астрономы уже заняли места в первом ряду, собираясь полюбоваться предстоящим столкновением.

Случайная находка

    Эту невероятную возможность мы запросто могли упустить. Газовое облако, названное довольно незамысловато, G2, было обнаружено только в 2011 году, и в этом открытии был большой элемент везения.
    «Как нередко случается в науке, это отчасти случайная находка», — рассказывает д-р Стефан Гиллессен {Stefan Gillessen) из Института внеземной физики Общества Макса Планка (Германия), который руководил группой, обнаружившей облако. Его коллеги в поисках свечения вокруг Стрельца А* анализировали изображения, полученные девятью годами ранее с помощью европейского Очень Большого Телескопа (VLT) в Чили. Свечение вызывается трением в газе и пыли, которые вращаются вокруг черной дыры в виде так называемого аккреционного диска.

На этом смоделированном изображении звезды и газовое облако G2 разбросаны вокруг невидимой сверхмассивной черной дыры нашей Галактики.
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    «Мы решили сравнить данные за разные годы и неожиданно заметили некое тусклое, но всё же различимое свечение, приближающееся к месту расположения черной дыры, — продолжает Гиллессен. — Эта информация таилась в данных с 2002 года. Затем мы ее нашли и запросили спектроскопические данные, показавшие, что в 2011 году объект увеличился в размерах сравнительно с 2004 годом. Он растягивался вдоль эллиптической орбиты вокруг черной дыры».
    Такое растягивание указывало на то, что газовое облако уже чувствует влияние мощнейшей гравитации. Что случится дальше — вопрос на миллион долларов. Сверх массивная черная дыра Стрелец A* — это монстр массой в 4 млн солнц. На самом деле присутствие таких пожирателей материи в центрах галактик — обычное дело. А в так называемых активных галактиках, испускающих особенно мощное излучение, черные дыры могут вырастать до миллиардов солнечных масс.

    1. При первом появлении в данных 2002 года газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
    2. Сейчас облако находится в десятках миллиардов километров от черной дыры. Оно падает на нее со скоростью 2500 км/с.
    3. Ожидается, что облако пройдет мимо черной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более и более вытянутую форму.
    4. После того как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нем ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
    5. Часть облака упадет прямо в черную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто никогда не увидит.
ГАЗОВОЕ ОБЛАКО ПРОТИВ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

    Стрелец А* появился миллиарды лет назад, когда, возможно, в конце своей жизни коллапсировали очень большие звезды, сливаясь в один массивный объект. Газовое облако тоже малопонятный объект, его состав пока остается загадкой. Хотя по большей части это должен быть водород как самый распространенный элемент во Вселенной. Кроме того, астрономам известно, что в ходе своего движения облако подвергается воздействию температуры в 10 000 кельвинов (что почти вдвое горячее поверхности Солнца, хотя для самого центра Галактики это нормальная средняя температура), но внутри оно необычно холодное, всего около 550 кельвинов.

ХРОНОЛОГИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР
    Эволюция нашего понимая этого странного явления
    1783
    Британский естествоиспытатель, отец геофизики Джон Мичелл (John Michell) предположил, что некоторые звезды могут быть столь плотными, что свет не преодолевает их гравитационное притяжение. Отражает ли идея сущность черных дыр? Да.
    1915
    Еще Эйнштейн показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей. Черные дыры возникают при очень сильной гравитации. Доказано, что объект можно сжать так, что ничто, даже свет, от него не уйдет.
    1963
    Голландский астроном Мартен Шмидт (Maarten Schmidt) открыл, что далекие объекты, которые называют квазарами, являются в действительности галактиками, энергетику которых обеспечивает находящаяся в самом их центре черная дыра.
    1967 Американский физик Джон Уилер (John Wheeler) ввел в научный обиход термин «черная дыра». Он заметил, что такой термин отражает представление о том, как «пространство может быть, подобно листу бумаги, скомкано в бесконечно малую точку».
    1974
    Британский физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) доказал, что черные дыры, хоть и поглощают материю без возврата, могут испускать излучение и в конце концов полностью испаряться. Это явление было названо «излучением Хокинга».
    2013
    Газовое облако G2 подошло к сверхмассивной черной дыре Стрелец А* в центре нашей Галактики. Их встреча открыла человечеству беспрецедентные возможности для изучения «пищевых привычек» черных дыр. Ученые ждут развития событий.
ХРОНОЛОГИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР

    Астрофизик Стивен Мюррей (Stephen В Murray) из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) считает, что облако может быть результатом вспышки звезды, в результате которой та потеряла часть своей внешней атмосферы. Но всё это до конца еще не ясно. «Звездный выброс выглядит наилучшим предположением, — считает Мюррей. — В противном случае трудно понять, как нечто столь небольшое и со слабой гравитацией может оставаться единым целым. Однако кажется удивительным совпадением, что некая звезда произвела такой выброс столь близко от черной дыры. Так что будет просто замечательно увидеть, какая судьба ждет в ее окрестностях этот объект».
    Мюррей входит в состав группы, которая пытается предсказать, как будет протекать тесное сближение газового облака со Стрельцом А*. Они выполнили трехмерное моделирование этого события, используя вычислительные мощности 3 тыс. процессоров суперкомпьютера Клемсоновского университета (штат Южная Каролина, США). Понадобилось более 50 тыс. часов процессорного времени, чтобы убедиться: наибольшее сближение с черной дырой случится уже скоро (март 2014 года).
    Первым признаком начавшейся встречи станет излучение, испускаемое газовым облаком: по мере приближения к Стрельцу А* и роста влияния его гравитации в облаке станет выделяться энергия. Мы сможем заметить это с помощью радиотелескопов на Земле и рентгеновских — на спутниках (см. врезку «Увидеть встречу»).
    Столкновение не будет лобовым. Сначала облако пролетит мимо Стрельца А* на приличном расстоянии — примерно в 130 раз большем, чем от Земли до Солнца. Но это не спасет его от разрушительного действия гравитации черной дыры. «Газовое облако окажется разорвано на части, — поясняет Мюррей. — Согласно моделированию, которое мы проделали, облако станет растягиваться из-за различия в силе тяготения, действующей на разные его края. В результате то, что первоначально выглядело как шар, начнет больше напоминать макаронину».

НОВЕЙШИЙ ТЕЛЕСКОП ДЛЯ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ
    Телескоп размером с Землю покажет Стрелец А* во всех деталях.
    ВНУТРЬ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ заглянуть нельзя. Но астрономы собираются сделать всё, что возможно, построив телескоп, способный с беспрецедентной детализацией рассмотреть то, что находится в ее ближайших окрестностях.
    Их цель — создать достаточно мощный инструмент, чтобы увидеть, что происходит у самого горизонта событий — условной поверхности, из-под которой ничто (будь то звёзды, облака газа или даже свет) не может выйти. Разрешение этого телескопа будет выше, чем у любого из прочих, что будут наблюдать грядущее столкновение газового облака с черной дырой Стрелец А*.
    Телескоп горизонта событий (ТГС) не будет новой отдельной обсерваторией, запрятанной в далеких горах. Вместо этого консорциум, создающий инструмент, планирует объединить наблюдательные возможности радиотелескопов по всему миру, позволив им работать совместно, обеспечивая разрешение, как у одного инструмента размером с целую планету. Его мощь позволит астрономам рассмотреть такие детали, как кольца света, испускаемого материей, которой удалось избежать затягивания в черную дыру.
    Двадцать обсерваторий по всему миру договорились стать частью этого массива телескопов, который может заработать уже в 2015 году. Наряду со Стрельцом А*, другим объектом изучения для этого инструмента будет гигантская эллиптическая галактика М87, расположенная в 53 млн световых лет от нас. В ее центре находится намного более массивная черная дыра, в б млрд раз превосходящая Солнце.
НОВЕЙШИЙ ТЕЛЕСКОП ДЛЯ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

    «Проявятся и другие эффекты, — добавляет Мюррей. — При движении сквозь газ в центре Галактики в облаке начинают идти волны, как на поверхности океана в ветреный день. Есть и иные важные неустойчивости. В конце концов облако газа, вытянутое и разорванное на части, начнет обращаться вокруг черной дыры, не являясь больше единым образованием».
    Далее при распаде облака большая его часть вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А* или просто-напросто упадет в саму черную дыру. «Если бы оно упало как целое, это было бы куда более впечатляюще, — говорит Мюррей. — Хотя наша модель не предсказывает значительной разницы в количестве энергии, но при попадании в черную дыру по частям энергия будет выделяться в виде нескольких фейерверков размером поменьше».

Кривая обучения

    Конечно, это событие вряд ли станет самым впечатляющим небесным явлением, однако оно будет крайне интересным. «Наблюдение за тем, что случится с этим газовым облаком, поможет понять строение атмосфер [аккреционных дисков] вокруг черных дыр, — объясняет Гиллессен. — По интенсивности трения в облаке можно оценить, сколько там газа, и понять, как возникает подобная атмосфера. Будет также полезно последить за вращением газа вокруг черной дыры, чтобы выяснить, как он поглощается. Никто еще этого не видел».

Гигантская черная дыра Стрелец А* расположена в ярко светящемся центре этого снимка, полученного рентгеновской обсерваторией «Чандра»
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Относительно судьбы вещества, падающего на Стрелец А*, Гиллессен отказывается даже строить предположения. «Это ненаучный вопрос, поскольку мы никогда не сможет это узнать, — считает он. — Вы даже не в силах вообразить эксперимент, который позволил бы подтвердить или опровергнуть подобное предположение. Единственный способ его проверить — это прыгнуть в черную дыру. Только не забудьте перед этим со всеми попрощаться».

    За столкновением будут наблюдать земные и космические телескопы.
    ALMA. Самая высокогорная обсерватория, находящаяся на высоте 5 тыс. м в сухой чилийской пустыне Атакама, уже начала следить за столкновением, используя свой массив из десятков «тарелок». Они ведут наблюдение в радиодиапазоне.
    Chandra X-Ray Observatory. Этот космический телескоп NASA — один из нескольких спутников, которые будут следить, насколько возрастет рентгеновское излучение Стрельца А*, когда к его горизонту событий приблизится газовое облако.
    VLT. Очень Большой Телескоп (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории в Чили будет следить за изменениями формы, а также яркости газового облака G2 в оптическом диапазоне.
    Integral. Этот европейский спутник регистрирует высокоэнергичные гамма-кванты и будет следить за любыми вспышками, приходящими от черной дыры в этом максимально энергичном участке спектра электромагнитного излучения.
УВИДЕТЬ ВСТРЕЧУ

    Есть теория, утверждающая, что черная дыра внутри практически пуста, а вся ее масса сосредоточена в невероятно малой точке в самом центре — сингулярности. Согласно альтернативной теории полувековой давности, всё, падающее в черную дыру, вроде нашего обреченного газового облака, попадает в другую вселенную внутри нее, но эта теория уже снята с повестки дня. Наконец, третья теория, пока живая, постулирует, что всё, падающее в черную дыру растворяется в колебаниях струн на ее поверхности (горизонте событий). В общем, это головоломная тема.
    Хотя окончательная судьба газового облака может служить лишь поводом для спекуляций, в окрестностях черной дыры остается масса вещей, за которыми можно наблюдать. Представление начнется в ближайшие месяцы, но его последствия будут ощутимы еще несколько лет — газовое облако на некоторое время станет основным топливом Стрельца А*. Так что для специалистов по черным дырам наступают интересные годы: они смогут вблизи наблюдать эти увлекательные события. К счастью, слово «вблизи» означает для астрономов не совсем то, что для всех остальных, и нам не грозит попасть на десерт Стрельцу A*.


Что происходит сейчас* (конец 2013 год)


МОДЕЛЬ ВСТРЕЧИ С ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ
МОДЕЛЬ ВСТРЕЧИ С ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ

Наблюдения телескопа VLT
ГАЗОВОЕ ОБЛАКО G2


Перетяжка салона автомобиля кожей и алькантарой horn.hk.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru