Что находится посередине галактики
Центр Млечного Пути — чёрная дыра или облако тёмной материи?
Исследование траекторий звёзд, вращающихся близко к центру Галактики (S- и G-объектов) позволило высказать предположение, что сверхмассивный объект Стрелец A* в центре Млечного Пути может быть не чёрной дырой, а распределённым в пространстве сгустком тёмной материи. Такую же природу могут иметь массивные объекты в центрах и других галактик.
S-звёзды вблизи центра Млечного Пути (снимки телескопа VLT в ближнем ИК-диапазоне).
Гравитационные силы в центре нашей Галактики в основном определяются некоторым компактным сверхмассивным объектом, который обозначают (Sagittarius A* или Sgr A*), с массой около 4 миллионов масс Солнца, или около 0,0005 процента массы всей Галактики. Астрофизики сегодня в целом сходятся в том, что это — сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути, который на небесной сфере находится как раз в созвездии Стрельца. Строго говоря, Sgr A* — это обозначение не самой чёрной дыры, а того, что можно наблюдать — компактного радиоисточника в центре Галактики. Такие дыры расположены в центре большинства галактик. Недавно при помощи массива радиотелескопов удалось получить первое композитное изображение чёрной дыры в другой галактике (объекта M87* — центра эллиптической галактики M87 в созвездии Девы на расстоянии 53 миллионов световых лет). Нобелевская премия по физике 2020 года присуждена именно за открытие этого объекта в центре Млечного Пути, хоть в формулировке не используется термин «чёрная дыра», а говорится о «сверхмассивном объекте в центре нашей Галактики» (о Нобелевской премии в 2020 году в области астрофизики см. статью по ссылке).
Предполагаемая структура Млечного Пути: «звёздный» диск из двух компонентов (толстый и тонкий диск), ядро (балдж), шаровые звёздные скопления и гало тёмной материи.
О свойствах таких фантомных объектов, как чёрная дыра или тёмная материя мы в основном можем судить по их гравитационному взаимодействию с окружением. Основная разница заключается в том, что «чёрная дыра» — объект точечный по сравнению с расстоянием до ближайших гравитационно связанных с ним небесных тел. Это относится как к «чёрным дырам звёздной массы», так и к сверхмассивным дырам в центрах галактик. Напротив, «сгусток тёмной материи» предполагает протяжённый объект с неоднородным распределением массы — некоторое невидимое, но массивное облако, которое влияет на движущиеся вблизи и внутри него объекты. Необходимость введения тёмной материи возникла из наблюдения за траекториями звёзд в галактике, в том числе в Млечном Пути. Масса галактики, которую можно оценить по видимой материи, то есть плотности звёзд в различных её частях, оказывается сильно недостаточной для объяснения вращения звёзд вокруг галактического центра (про определение массы Млечного Пути с учётом тёмной материи см. другую статью). Если бы «гало» из тёмной материи имело везде в Галактике однородную плотность, о нём говорить вообще не имело бы смысла — оно бы никак не проявляло себя гравитационно. Во всех работах, где говорят о тёмной материи и её влиянии на движение звёзд в галактике, рассматривают различные модельные распределения массы в таком гало. Обычно молчаливо предполагается, что наибольшая плотность такого облака примерно там, где и центр галактики. В остальном распределение плотности тёмного вещества подбирают исходя из разумных допущений с тем, чтобы объяснить кривые скорости звёзд (зависимость скорости звезды от её расстояния до центра галактики). Сейчас в ходу несколько распространённых «подгоночных» профилей для (примеры можно посмотреть в Википедии), они с переменным успехом используются для объяснения различных динамических процессов в Галактике.
Композитный снимок в псевдоцветах показывает разное распределение звёздного вещества (оранжевый), горячего газа (зелёный) и массы в виде тёмной материи (синий цвет) при столкновении нескольких галактик (галактическое скопление Abell 520).
Рассчитанные орбиты 17 S-звёзд вокруг галактического центра (объекта Sgr A*).
Наблюдая за траекториями некоторых из S- и G-объектов, исследователи заметили, что их «гравитационное растяжение» при прохождении вблизи Sgr A* не вполне укладывается в схему с чёрной дырой. Наибольший интерес здесь вызывают два ближайшие к центру Галактики объекта этих типов — S2 и G2. Так, после прохождения перицентра (ближайшей точки орбиты) объект G2, по некоторым расчётам, не мог бы выжить как единое целое и должен был разорваться или поглотиться чёрной дырой. Это должно было произойти на наших глазах в 2013 или 2014 году; вероятно, астрономы с удовольствием готовились к такому необычному зрелищу. Однако G2 после прохождения перицентра сохранился, и его кинематика поставила предполагаемые параметры чёрной дыры в центре Галактики под вопрос. Аналогичные странности находили и в поведении S-объекта S2.
Наблюдаемые траектории оказалось возможным воспроизвести более точно, если вместо чёрной дыры в качестве притягивающей массы расположить распределённый объект, состоящий из компактного массивного ядра и протяжённого размытого гало. Такие модели устройства «невидимой массы» в Галактике сосуществуют наряду с гипотезой о чёрной дыре. Как известно из законов тяготения, перераспределение массы центрального объекта никак не может повлиять на движение небесных тел на больших расстояниях. Любое тело с центрально-симметричным распределением вещества притягивает объекты с такой же силой, как такая же масса, сосредоточенная в его центре. Поэтому за пределами центрального звёздного кластера на расстоянии около 0,1 парсека от Sgr A* замена чёрной дыры на сгусток тёмной материи не будет иметь последствий — достаточно подобрать облако с такой же суммарной массой. Но для траекторий близких объектов различия могут быть ощутимыми. Оказалось, что надлежащим образом подобранная модель «распределённой» тёмной массы лучше описывает поведение «звезды» G2 и наблюдаемые траектории 17 ближних S-звёзд, которые удалось определить с наиболее высокой точностью. В мае 2021 года в MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) вышла статья группы астрофизиков на базе ICRA (Международного центра релятивистской астрофизики в Италии), в которой продолжается исследование этой альтернативной гипотезы строения центра Галактики.
В основе этого варианта модели лежит фермионная тёмная материя, которая состоит из некоторых гипотетических частиц — авторы предлагают называть их даркино. Такую модель недавно предложили исходя из уравнений общей теории относительности и термодинамики фермионного газа (частиц, подчиняющихся статистике Ферми—Дирака — к ним, например, относятся электроны). На расстояниях, сопоставимых с размерами ядра галактики и больше, модель ведёт себя подобно множеству аналогичных выражений для плотности гало из тёмной материи и удовлетворительно объясняет кривые скорости звёзд в Галактике. Но в центре такого сгустка, в его компактной части (внутри орбиты самого ближнего объекта S2) «газ» вырожден и в игру вступают законы квантовой физики. Если плотность частиц тёмной материи превышает критическое значение, может произойти гравитационный коллапс фермионного газа с образованием уже знакомой галактической сверхмассивной чёрной дыры. Такой механизм может реализоваться не только в Млечном Пути, но и в других галактиках.
Центр Млечного Пути на звёздном небе. L. Landolfi.
Галактический центр
Галакти́ческий це́нтр — сравнительно небольшая область в центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства которой резко отличаются от свойств других её частей. Образно говоря, галактический центр — это космическая «лаборатория», в которой и сейчас происходят процессы звёздообразования и в которой расположено ядро, когда-то давшее начало конденсации нашей звёздной системы.
Содержание
Состав галактического центра
Самой крупной особенностью галактического центра является находящееся там звёздное скопление (звёздный балдж) в форме эллипсоида вращения, большая полуось которого лежит в плоскости Галактики, а малая — на её оси. Балдж (от англ. bulge — «вздутие») — внутренний, яркий сфероидальный компонент спиральных галактик. Размер его колеблется от сотен парсек до нескольких килопарсек. Балдж галактики состоит в основном из старых звёзд, движущихся по вытянутым орбитам.
Отношение полуосей равно примерно 0,4. Орбитальная скорость звёзд на расстоянии около килопарсека составляет примерно 270 км/с, а период обращения — около 24 млн лет. Исходя из этого получается, что масса центрального скопления составляет примерно 10 млрд масс Солнца. Концентрация звёзд скопления резко увеличивается к центру. Звёздная плотность изменяется примерно пропорционально R −1,8 (R — расстояние от центра). На расстоянии около килопарсека она составляет несколько солнечных масс в кубическом парсеке, в центре — более 300 тыс. солнечных масс в кубическом парсеке (для сравнения, в окрестностях Солнца звёздная плотность составляет около 0,07 солнечных масс на кубический парсек).
От скопления отходят спиральные газовые рукава, простирающиеся на расстояние до 3 — 4,5 тыс. парсек. Рукава вращаются вокруг галактического центра и одновременно удаляются в стороны, с радиальной скоростью около 50 км/с. Кинетическая энергия движения составляет 10 55 эрг.
Внутри скопления обнаружен газовый диск радиусом около 700 парсек и массой около ста миллионов масс Солнца. Внутри диска находится центральная область звёздообразования.
Ближе к центру находится вращающееся и расширяющееся кольцо из молекулярного водорода, масса которого составляет около ста тысяч масс Солнца, а радиус — около 150 парсек. Скорость вращения кольца составляет 50 км/с, а скорость расширения — 140 км/с. Плоскость вращения наклонена к плоскости Галактики на 10 градусов.
По всей вероятности, радиальные движения в галактическом центре объясняются взрывом, произошедшим там около 12 млрд лет назад.
Распределение газа в кольце — неравномерное, образующее огромные газопылевые облака. Крупнейшим облаком является комплекс Стрелец B2, находящийся на расстоянии 120 пк от центра. Диаметр комплекса составляет 30 парсек, а масса — около 3 млн масс Солнца. Комплекс является крупнейшей областью звёздообразования в Галактике. В этих облаках обнаружены все виды молекулярных соединений, встречающихся в космосе.
Ещё ближе к центру находится центральное пылевое облако, радиусом около 15 парсек. В этом облаке периодически наблюдаются вспышки излучения, природа которых неизвестна, но которые свидетельствуют о происходящих там активных процессах.
Практически в самом центре находится компактный источник нетеплового излучения Стрелец A*, радиус которого составляет 0,0001 парсек, а яркостная температура — около 10 млн градусов. Радиоизлучение этого источника, по-видимому, имеет синхротронную природу. Временами наблюдаются быстрые изменения потока излучения. Нигде в другом месте Галактики подобных источников излучения не обнаружено, зато подобные источники имеются в ядрах других галактик.
Скорее всего, галактическая цивилизация найдётся в центре Млечного Пути
Целимся в центр
Млечному Пути уже 13 миллиардов лет. Некоторые из старейших звёзд нашей Галактики родились почти в самом начале существования Вселенной. И за всё это неизмеримое время нам известна минимум одна технологически развитая цивилизация – наша.
Но если Галактика такая старая, и мы знаем, что она способна порождать жизнь, почему же мы больше ни от кого не получаем весточек? Если какая-нибудь цивилизация появилась бы в Галактике раньше нас всего на 0,1% от возраста последней, они бы опережали нас на миллионы лет – и, вероятно, развились бы куда как сильнее нас. Если мы уже почти готовы заселять другие планеты, не должен ли Млечный Путь кишеть внеземными космическими кораблями и колониями?
Возможно. Но, вероятно, мы просто не там ищем. Недавние компьютерные симуляции Джейсона Райта с коллегами говорят о том, что лучше всего искать освоившие космос цивилизации в центре Галактики. Этот регион остаётся относительно малоисследованным проектами по поиску внеземной жизни.
Анимация симуляции заселения галактики. Белые точки – незаселённые звёзды, фиолетовые – заселённые. Белые кубики – корабли в полёте. Спиральная структура заселения образуется из-за движения звёзд в галактике. После достижения центра скорость колонизации радикально возрастает.
Перемешивание
Старые математические модели колонизации космоса пытались подсчитать время, которое цивилизация потратит на распространение по всему Млечному Пути. Учитывая размер Галактики, полномасштабное заселение займёт больше времени, чем она существует. Однако уникальность новой симуляции заключается в учёте движения звёзд в Галактике. Млечный Путь не статичен, как считалось в старых моделях – это крутящаяся и перемешивающаяся масса звёзд. Летательные аппараты колонистов и зонды должны перемещаться между звёздами, которые в свою очередь также перемещаются. Из новой симуляции становится видно, что движение звёзд помогает колонизировать Галактику, внося эффект растворения в процесс распространения цивилизации.
Симуляция основана на предыдущем исследовании Джонатана Кэрролла-Нелленбека с коллегами, предполагавшего, что гипотетическая цивилизация могла бы распространяться внутри динамической Галактики на досветовых скоростях. В симуляции предполагается, что корабли цивилизации движутся со скоростями, сравнимыми с тем, на что способны наши летательные аппараты (около 30 км/с). Когда в симуляции корабль прибывает в обитаемый мир, он считается колонией, и уже сам может запускать новые корабли каждые 100 000 лет, если в пределах досягаемости находится незаселённый мир. В симуляции максимальное расстояние для полёта космического корабля составляет 10 световых лет, а длительность полёта – 300 000 лет. Технология виртуальной колонии должна существовать 100 млн лет перед тем, как угаснуть, однако у неё существует вероятность обзавестись новыми поселенцами, если в пределах досягаемости появится другая колония.
Результат получился совершенно другим. Вращение звёзд в Галактике создаёт «фронт» колонизационной волны. Когда он достигает ядра Галактики, тамошняя плотность звёзд резко увеличивает скорость колонизации. Даже с консервативными ограничениями на скорость космических кораблей большую часть Галактики можно заселить менее чем за миллиард лет.
В прямой видимости
Результаты симуляции поддерживают уже сделанное ранее предложение Вишала Гаджара с коллегами, считавшими, что признаки жизни нужно искать в центре Галактики. Эту область можно не только быстро колонизировать, но и эффективно сканировать в поисках технологий. Галактический центр находится у нас в прямой видимости, и это самый плотный по количеству звёзд участок. Кроме того, поскольку Галактика формировалась изнутри наружу, самые старые планеты находятся в её центре – а, значит, у них было больше времени для развития жизни.
Также центр служит естественной точкой для обмена и распространения информации. А если вам нужно найти сигнал, по той же логике вам лучше искать его ближе к центру. Также Гаджар с коллегами предположили, что развитая цивилизация способна добывать энергию из центральной сверхмассивной чёрной дыры Млечного пути для питания всегалактического маяка.
Вид по направлению к центру Галактики из пустыни Мохаве
Так почему же так тихо?
Все эти соображения не дают ответа на наш вопрос – а где все? Возможная скорость колонизации Галактики усложняет поиск ответа. Более того, Кэрролл-Нелленбек с коллегами отмечают, что в процессе колонизации передовая цивилизация может разработать новые технологии для двигателей, укорачивающие время, необходимое для расселения. При этом предварительное сканирование галактического ядра в радиодиапазоне не обнаружило никаких сигналов. Может быть, ответом является само молчание. Галактика настолько стара, что у жизни было время распространиться повсеместно, поэтому некоторые считают, что такое молчание обрекает все мечты на встречу с разумом на неудачу.
Но надежда всё ещё есть! Исходя из симуляции, возможно, что некоторые части Галактики не будут заселены даже по прошествии значительного времени. Весь вопрос в эффективности. Вспомним, что колонизация идёт по наикратчайшим путям. Со временем некоторые колонии вымирают и становятся утерянными – возможно, из-за катаклизмов или истощения ресурсов. Вместо того, чтобы углубляться в космос, цивилизации решают заново заселить вымершие колонии, поскольку те находятся ближе. Формируются скопления населённых колоний, окружённые необитаемыми планетами, которые никто так и не населит. Достигается статическое равновесие, при котором определённые участки Млечного Пути просто неэффективно будет колонизировать.
Есть и другие способы объяснить молчание. Возможно, долгоживущие цивилизации устойчиво развиваются с меньшей скоростью, чем мы думаем. Возможно, различные цивилизации, колонизируя Галактику, стараются держаться подальше друг от друга. Возможно, цивилизации стараются не вмешиваться в развитие таких планет, как наша, или опасаются биологической несовместимости на других мирах. Всё это может объяснить, почему мы ни с кем до сих пор не встретились – если мы действительно не встретились.
Похороненное прошлое
Кэрролл-Нелленбек с коллегами рассмотрели понятие «временного горизонта» – точки в истории, после которой на Земле уже не могут сохраниться следы предыдущих колонизаций. Допустим, миллиарды лет назад на Землю прибыла галактическая инопланетная цивилизация, прожила тут несколько тысяч лет, и вымерла. За прошедшее с тех пор время не останется никаких свидетельств их существования. Поэтому возможно, что хотя мы и не встречали инопланетян, то их встречала Земля.
Судя по симуляции, и исходя из нашего местоположения в Галактике, существует 89% вероятность того, что между визитами инопланетных кораблей проходит миллион лет – потенциально этого достаточно для того, чтобы стереть все следы предыдущих колонизаций. Симуляция говорит, что между пустой и целиком заполненной Галактикой есть промежуточные варианты – это объясняет молчание, одновременно не исключая возможности существования технологически развитой инопланетной цивилизации.
Шаровая жизнь?
Хотя центр Галактики кажется идеальной целью для будущих исследований SETI, у неё есть и другие участки с похожими благоприятными условиями – шаровые скопления.
Это древние собрания звёзд, вращающихся вокруг центра Галактики на расстоянии в десятки тысяч световых лет от него. Это пережитки периода активного формирования звёзд, подогреваемого слияниями галактик. Всего в Млечном Пути известно порядка 150 шаровых скоплений (ШС) возрастом 10-13 млрд лет.
Трёхмерная модель известных ШС и их местоположение в Млечном Пути
ШС чрезвычайно плотны, звёзды в них расположены гораздо ближе друг к другу, чем в среднем в диске Млечного Пути. Рассуждая о межзвёздных путешествиях или передаче сигналов, мы обычно говорим о тысячелетиях. Однако цивилизации, возникшая в ШС, на межзвёздные перелёты хватит и нескольких лет, а на передачу сигналов – нескольких месяцев или даже недель. Проблема в том, что плотность звёзд в ШС может отрицательно сказаться на формировании планет и их орбитальной стабильности.
Р. Ди Стефано и А. Рэй подсчитали «зону обитаемости ШС». Обычно под «зоной обитаемости» мы понимаем радиус орбиты планеты, при котором на её поверхности может существовать жидкая вода. Земля, по счастью для нас, находится в обитаемой зоне Солнца. В ШС зона обитаемости – это радиус не двумерной окружности, а трёхмерной оболочки с центром в центре скопления. Внутренняя часть этой толстой оболочки начинается там, где плотность ШС падает до такой степени, чтобы звёздные системы могли быть стабильными с учётом гравитационного взаимодействия близлежащих звёзд. Притяжение ближайшей звезды может разрушить планетарный пылевой диск, из которого формируются планеты. Звезда, проходящая близко к другой звезде, может выбить с орбиты одну из её планет.
Внешняя часть оболочки начинается там, где плотность звёзд падает настолько, что среднее расстояние между звёздами становится больше 10 000 а.е., или примерно двух световых месяцев. После этого преимущества нахождения в скоплении – небольшое расстояние для перелёта и быстрые коммуникации – сходят на нет. Зона между двумя «стенками» оболочки идеально подходит для колонизации – звёзды достаточно близко для быстрых перелётов и обмена сообщениями, но не настолько близко, чтобы разрушать системы друг друга.
Нам нужно, чтобы в это идеальное множество входили звёзды небольшой массы, живущие дольше остальных. По счастливому стечению обстоятельств у звёзд малой массы также минимальный радиус обитаемых зон. А чем ближе планета к материнской звезде, тем меньше вероятность, что другая звезда выбьет её с орбиты. В ШС также проявляется эффект «массовой сегрегации», когда наиболее массивные звёзды, с менее всего подходящими для заселения системами, притягиваются к центру. Поэтому сегрегация естественным образом выстраивает звёзды от наименее подходящих к наиболее подходящим по направлению от центра к периферии.
Получается, что в гипотетическом ШС, приближающемся по массе к 100 000 солнечных, в идеальные условия для колонизации попадают 40% звёзд класса G (жёлтые карлики типа нашего Солнца) и 15% звёзд классов К и М (оранжевые и красные карлики). Это довольно много. Существует даже возможность, что планеты, выброшенные из систем, смогут поддерживать цивилизацию благодаря общей энергии всех звёзд, получаемой в скоплении со всех сторон – особенно если у цивилизации будет продвинутая технология её сбора. Представьте – свободно путешествующий в космосе инопланетный мир.
Ди Стефано и Рэй предположили, что даже если у 10% звёзд в ШС будут обитаемые планеты, 1% из них будет пригоден для разумной жизни, а на 1% от последних будут существовать цивилизации, владеющие передачей сигналов, то в каждом ШС Млечного Пути должна будет существовать хотя бы одна такая цивилизация. Если взять чуть более оптимистичные цифры, получится, что в разреженном диске могло бы существовать больше цивилизаций, но они были бы разделены значительными расстояниями в 300 световых лет.
Если бы вы жили в ШС, вы могли бы попытаться связаться с далёким диском Млечного Пути. Нам же ещё пока предстоит найти прямые свидетельства хотя бы существования планет в ШС. Наши технологии поиска экзопланет не дают искать их на таком расстоянии и в таком плотном окружении, как ШС. Однако если всё же в ШС будет существовать цивилизация, способная дотянуться до тысяч звёзд, то Ди Стефано и Рэй считают, что она будет, по сути, «бессмертной».
Мы отправляли радиосообщение в один из таких ШС – красивое звёздное скопление M13 в созвездии Геркулеса. Оно находится в 22 000 световых лет от нас, имеет диаметр в 145 световых лет, и состоит из 100 000 звёзд. В 1974 году сообщение в М13 было направлено с радиотелескопа Аресибо. В сообщении содержались числа от 1 до 10, химические компоненты ДНК, изображение человека, изображение солнечной системы и самого телескопа. Длительность сообщения составила 3 минуты. Дойдёт оно до скопления через несколько тысяч лет.
Вероятно, что когда оно туда доберётся, разобрать его будет уже невозможно. Но, возможно, когда-нибудь мы повстречаем цивилизацию, распространяющуюся по галактике. Или же мы сами станем такой цивилизацией.
Возможно, в центре Млечного пути находится не чёрная дыра, а гигантское скопление тёмной материи
Команда исследователей из Международного центра релятивистской астрофизики обнаружила свидетельства того, что Стрелец A* — высокоплотный объект в центре Млечного Пути – является не сверхмассивной чёрной дырой, а скоплением тёмной материи. Эти свидетельства и результаты их проверки команда описала в работе, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
В начале века научное сообщество познакомилось с данными, свидетельствующими о наличии объекта огромной массы в центре нашей Галактики. Астрономы сошлись на том, что это сверхмассивная чёрная дыра. Ей дали название «Стрелец A*». Пока её наличие невозможно подтвердить напрямую, поэтому все полученные доказательства были косвенными, и вытекали из движения других тел вокруг неё. Однако в новой работе исследователи показали, что этот объект может быть скоплением тёмной материи, что может объяснить некоторые аномалии, связанные с ним.
В 2014 году астрофизики столкнулись с необъяснимым явлением – газовое облако, получившее название G2, сблизилось со Стрельцом А* достаточно сильно для того, чтобы чёрная дыра уничтожила его и затянула внутрь. Вместо этого облако, как ни в чём не бывало, продолжило движение.
В новой работе исследователи предлагают объяснить чудесное спасение G2 тем, что Стрелец А* — это не чёрная дыра, а тёмная материя. Они прогнали на компьютере симуляцию Млечного Пути, заменив чёрную дыру материей, и получилось, что Галактика ведёт себя точно так же, как и с чёрной дырой – что близлежащие звёзды, что внешнее гало Млечного Пути движутся одинаково.
Авторы пошли ещё дальше, подсчитав, что если частицами тёмной материи будут тяжёлые фермионы, которым они дали название «даркино», взаимодействующие друг с другом, тогда свойства большого скопления частиц тёмной материи будут не сильно отличаться от свойств чёрной дыры – по крайней мере, с точки зрения обращающихся вокруг него тел.