Космический двигатель. Черная дыра в центре Млечного Пути поможет ученым решить давнюю загадку эволюции галактик

Сверхмассивные черные дыры расположены в самых центрах своих галактик и являются чем-то вроде галактических двигателей. Причем, чем массивнее галактика, тем массивнее черная дыра в ее центре. Ученые, несмотря на десятилетия исследований, только начинают понимать, как они работают, говорится в материале Quanta Magazine.

Так, мощнейшая гравитация черной дыры притягивает к ней близлежащие газ и пыль, которые образуют вокруг нее сияющую корону — аккреционный диск, который мы и можем увидеть на изображениях. Там материя разгоняется, нагревается и превращается в раскаленную плазму, часть из которой поглощает черная дыра, взамен выплескивая мощный поток энергии. Количество выброшенной таким образом энергии влияет на скорость звездообразования и характер газовых потоков по всей галактике.

Этот процесс похож на смерть звезды, которая сопровождается вспышкой сверхновой, когда звезда испускает последний выход, фонтанируя накопленной энергией во все стороны. Подобные процессы могут отвечать за дальнейшую судьбу карликовых галактик, однако эволюция больших, эллиптических галактик, завязана исключительно на сверхмассивной черной дыре в ее центре.

Стрелец А* является необычайно тусклым объектом по сравнению со многими другими черными дырами, которые находятся в центре своих галактик. К такому выводу ученые пришли из-за того, что наша черная дыра является спящей — то есть практически не втягивает окружающий ее материал.

Прия Натараджан, космолог из Йельского университета, сравнивает нашу галактику со сломанной насадкой для душа. Дело в том, что лишь тысячная часть материи, которая попадает во Млечный Путь из окружающей межгалактической среды, достигает черной дыры и падает в нее. Это порождает большую проблему — куда девается остальной газ?

«Очевидно, что мы слабо понимаем, как растут черный дыры», — отмечает Натараджан. Почему одни черные дыры активно поглощают материал, в то время как другие делают это не так охотно? Что влияет на этот процесс?

Млечный Путь сложно назвать гигантской галактикой, однако и звание карликовой — точно не про нее. Наш космический дом, скорее, можно причислить к типичному середняку, на развитие которого одновременно влияет как черная дыра, так и массивные умирающие звезды. Ученые надеются, что выяснив, почему Стрелец А* является такой тусклой черной дырой, они смогут лучше понять механизм эволюции галактик. Так, наша галактика «становится самой мощной астрофизической лабораторией», — говорит Натараджан.

Астроном Мартин Рис из британского Института теоретической астрофизики совместно с Дональдом Линден-Беллом из Королевской Гринвичской обсерватории предположили, что свечение черных дыр в центре галактик зависит от количества поглощаемой ими материи. Причем чем больше черная дыра, тем большее давление она испытывает, и тем сложнее ей выбрасывать газ (и энергию) наружу.

Дальнейшие моделирования подтвердили эту гипотезу, однако ученые не уверены, что они получили окончательный ответ. «Существует вероятность, что иногда мы получаем правильный ответ по неправильной причине. Возможно, мы не фиксируем то, что на самом деле отвечает за рост черных дыр и то, как они выбрасывают энергию в свое окружение», — говорит Элиот Кватарт, астрофизик из Принстонского университета.

Ученые не понимают, как работает эта обратная связь «материя-энергия» в центрах галактик. Мы знаем, что часть подобного излучения энергии придает центрам галактик характерное яркое свечение, которое мы привыкли называть АЯГ — активными ядрами галактик. Это едва ли не самые яркие объекты во Вселенной.

Однако проблема в том, что даже самые точные космологические симуляции не могут предугадать настоящие размеры сверхмассивных черных дыр в центрах некоторых галактик. Очень часто в реальности черные дыры оказываются меньшими, чем в моделированиях; однако со Млечным Путем ситуация противоположна: моделирования ученых предсказывают, что черная дыра нашей галактики должна быть в разы больше, чем Стрелец А*. Ученые надеются, что внимательное изучение нашей черной дыры, Млечного Пути и соседних галактик поможет нам понять, как именно работает эта обратная связь галактических центров.

Кроме того, астрофизики рассчитывают, что им помогут данные телескопа Gaia, команда которого составляет самую подробную карту положения и движения звезд Млечного Пути. Таким образом ученые могут следить за эволюцией нашей галактики и ее слияния с другими, меньшими галактиками. Есть предположения, что подобные слияния активизируют сверхмассивные черные дыры, встряхивая в них газ и пыль, как в банке. Из-за этого черная дыра может становиться ярче, поглощая материю в ускоренном темпе и выпуская наружу энергию.

На изображении Стрельца А* видно газовую спираль — это еще одна загадка, которую исследователям нужно решить. По словам Рамеша Нараяна, астрофизика из Гарвардского университета, сейчас мы не понимаем, почему часть этого газа выталкивается наружу, а не внутрь черной дыры. Он отмечает, что дальнейшие исследования будут направлены именно на понимание этого процесса: «Как направить газ в черную дыру, чтобы выгнать всю энергию, которая уходит обратно?», — говорит Нараян.

Чтобы найти ответ на этот вопрос, Нараян и Натараджан вместе с другими коллегами запускают проект, в рамках которого они смоделируют течение газа сквозь Млечный Путь и соседнюю активную галактику М-87 (именно ее черную дыру исследователям из EHT удалось сфотографировать в 2019 году). Это помогло бы понять, как именно газ протекает сквозь и вокруг галактик. Для лучшей настройки моделирования исследователи рассчитывают сделать серию снимков галактик на разных этапах их эволюции.

Однако пока что мы будем смотреть в космос, лишь догадываясь о том, как происходит этот энергетический обмен в самом сердце нашей галактики.