Космічний двигун. Чорна діра в центрі Чумацького Шляху допоможе вченим вирішити давню загадку еволюції галактик

Надмасивні чорні діри розташовані в центрах своїх галактик і є чимось на кшталт галактичних двигунів. При цьому чим масивніша галактика, тим масивніша чорна діра в її центрі. Учені, попри десятиліття досліджень, лише починають розуміти, як вони працюють, ідеться в матеріалі Quanta Magazine.

Так, найпотужніша гравітація чорної діри притягує до неї прилеглі газ і пил, які утворюють навколо неї сяючу корону — акреційний диск, який ми можемо побачити на зображеннях. Там матерія розганяється, нагрівається і перетворюється на розпечену плазму, частину з якої поглинає чорна діра, натомість виплескуючи потужний потік енергії. Кількість викинутої таким чином енергії впливає на швидкість зіркоутворення та характер газових потоків по всій галактиці.

Цей процес схожий на смерть зірки, супроводжувану спалахом наднової, коли зірка випускає останній вихід, фонтануючи накопиченою енергією навсібіч. Подібні процеси можуть відповідати за подальшу долю карликових галактик, проте еволюція великих, еліптичних галактик зав’язана виключно на надмасивній чорній дірі в її центрі.

Стрілець А* є надзвичайно тьмяним об'єктом порівняно з багатьма іншими чорними дірами, розташованими в центрі своїх галактик. Такого висновку вчені дійшли через те, що наша чорна діра є сплячою — тобто практично не втягує навколишній матеріал.

Прія Натараджан, космолог із Єльського університету, порівнює нашу галактику зі зламаною насадкою для душу. Справа в тому, що лише тисячна частина матерії, яка потрапляє до Чумацького Шляху з навколишнього міжгалактичного середовища, досягає чорної діри і падає до неї. Це породжує велику проблему — куди дівається решта газу?

«Очевидно, що ми слабо розуміємо, як ростуть чорні діри», — зазначає Натараджан. Чому одні чорні діри активно поглинають матеріал, тоді як інші роблять це не так охоче? Що впливає на цей процес?

Чумацький Шлях складно назвати гігантською галактикою, однак і звання карликової — точно не про неї. Наш космічний дім, швидше, можна зарахувати до типового середняка, на розвиток якого одночасно впливає як чорна діра, так і потужні зірки, що вмирають. Учені сподіваються, що з’ясувавши, чому Стрілець А* є такою тьмяною чорною дірою, вони зможуть краще зрозуміти механізм еволюції галактик. Так, наша галактика «стає найпотужнішою астрофізичною лабораторією», — говорить Натараджан.

Астроном Мартін Рис із британського Інституту теоретичної астрофізики спільно з Дональдом Лінден-Беллом із Королівської Гринвіцької обсерваторії припустили, що свічення чорних дір у центрі галактик залежить від кількості матерії, яку вони поглинають. При цьому чим більша чорна діра, тим більшого тиску вона зазнає, і тим складніше їй викидати газ (і енергію) назовні.

Подальші моделювання підтвердили цю гіпотезу, проте вчені не впевнені, що вони отримали остаточну відповідь. «Існує ймовірність, що іноді ми отримуємо правильну відповідь із неправильної причини. Можливо, ми не фіксуємо те, що насправді відповідає за зростання чорних дір і те, як вони викидають енергію у своє оточення», — каже Еліот Кватарт, астрофізик із Прінстонського університету.

Учені не розуміють, як працює цей зворотний зв’язок «матерія-енергія» в центрах галактик. Ми знаємо, що частина подібного випромінювання енергії надає центрам галактик характерного яскравого свічення, яке ми звикли називати АЯГ — активними ядрами галактик. Це чи не найяскравіші об'єкти у Всесвіті.

Однак проблема в тому, що навіть найточніші космологічні симуляції не можуть передбачити справжні розміри надмасивних чорних дір у центрах деяких галактик. Дуже часто насправді чорні діри виявляються меншими, ніж у моделюваннях; але з Чумацьким Шляхом ситуація протилежна: моделювання вчених прогнозують, що темна діра нашої галактики повинна бути в рази більша за Стрілець А*. Учені сподіваються, що уважне вивчення нашої чорної діри, Чумацького Шляху та сусідніх галактик допоможе нам зрозуміти, як саме працює цей зворотний зв’язок галактичних центрів.

Крім того, астрофізики розраховують, що їм допоможуть дані телескопа Gaia, команда якого складає найдокладнішу карту положення та руху зірок Чумацького Шляху. Таким чином, учені можуть стежити за еволюцією нашої галактики та її злиття з іншими, меншими галактиками. Є припущення, що подібні злиття активізують надмасивні чорні діри, струшуючи в них газ і пил, як у банку. Через це чорна діра може ставати яскравішою, поглинаючи матерію у прискореному темпі та випускаючи назовні енергію.

На зображенні Стрільця А* видно газову спіраль — це ще одна загадка, яку слід розв’язати дослідникам. За словами Рамеша Нараяна, астрофізика з Гарвардського університету, зараз ми не розуміємо, чому частина цього газу виштовхується назовні, а не всередину чорної дірки. Він зазначає, що подальші дослідження будуть спрямовані саме на розуміння цього процесу: «Як спрямувати газ у чорну діру, щоб вигнати всю енергію, яка йде назад?», — каже Нараян.

Аби знайти відповідь на це питання, Нараян і Натараджан разом з іншими колегами запускають проєкт, у межах якого вони змоделюють перетікання газу крізь Чумацький Шлях і сусідню активну галактику М-87 (саме її чорну діру дослідникам з EHT вдалося сфотографувати 2019 року). Це допомогло б зрозуміти, як саме газ протікає крізь і навколо галактик. Для кращого налаштування моделювання дослідники розраховують зробити серію знімків галактик на різних етапах їхньої еволюції.

Однак поки що ми дивитимемося в космос, лише здогадуючись про те, як відбувається цей енергетичний обмін у самому серці нашої галактики.