Что находится в ядре галактики
Ядро Галактики
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.
Галактический центр находится на расстоянии 10 кпк от Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звёздных величин, то есть в 10 12 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне — невооружённым глазом и при помощи оптических телескопов. Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма лучей.
Содержание
Состав галактического центра
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.
С точки зрения моделей эволюции галактик, их ядра являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды. По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой около 3,7 миллионов масс Солнца, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд (см. [1]). Излучение источника Стрелец А* вызвано аккрецией газа на чёрную дыру, радиус излучающей области (аккреционный диск, джеты) не более 45 а.е..
Ядро галактики
Ядро галактики – особая космическая территория, которая практически не подвержена земным законам физики. Или, возможно, человечеству просто-напросто не хватает знаний, чтобы описать события, которые там происходит. Это неудивительно, поскольку процессы и явления, порождающие возникновение исполинских потоков, событий, возникающих в центре этих систем, свидетельствуют об иных масштабах Вселенной, которые никому не известны.
Наша галактика именуется «Млечный путь». Её никогда не видели со стороны и скорее всего, сделать это так и не удастся. Но учёные не теряют надежды на то, что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация отправит на нашу планету её снимок, или люди сами научатся проделывать путь в сотни тысяч парсек и даже в миллионы в рамках одной жизни. Несмотря на эти шансы, с имеющимся уровнем развития технологий говорить о каких-либо колоссальных переменах в ближайшие годы не приходится.
Активная гигантская эллиптическая галактика M87. Из центра галактики вырывается релятивистская струя (джет)
Особенности устройства галактики
Если посмотреть на звёздную систему, в которой мы обитаем сверху, можно обнаружить диск плоской формы. Если быть точнее, это огромная светящаяся спираль, оснащённая перемычкой в ядерной части. Её яркость снижается на пути следования от центральной к периферийной части. Солнце на этой воображаемой схеме будет располагаться между рукавами, находящимися с краю.
Точное диаметральное сечение нашей Солнечной системы неизвестно. По предположительным отметкам оно составляет 3 000 парсек или 100 000 световых лет. Если говорить о цифре в километрах, вслух её лучше не произносить, т. к. значение получится огромным. Толщина, которой обладает звёздный диск, составляет до 1 000 световых лет. Согласно последним данным эти показатели могут быть в 10 раз больше!
Галактика имеет множество уникальных особенностей. Вся звёздная группа как бы погружена в гало. В его составе преобладают старые звезды и шаровые скопления. Они обладают формой сферы, перерастая в галактическую корону. Она сильно разряжена и включает в свой состав газ и светила редкого типа. По состоянию на 2010 год массовое значение группы составляет от 4,8*10^11 солнечных масс.
Если говорить о возрасте Млечного пути, он составляет от 13 миллиардов лет. В нём протекает процесс активного звездообразования, т. к. у него своя жизнь, где каждую секунду происходят какие-то новые события. Чаще всего обычному человеческому разуму они недоступны. И если верить статистике и практике, самые интересные и грандиозные события происходят в центральной части, т. е. в ядре.
M60
Что представляет собой галактическое ядро
Самый центр, самое сердце галактики, оно скрыто от человеческих глаз по причине мощной завесы из пыли. Поэтому получить сведения об этом объекте можно только в двух диапазонах – инфракрасном и радио. Что касается рентгеновского излучения и гамма, оно также является скрытым. Ядро галактики, по имеющимся на сегодняшний день представлениям, находится в центральной части галактической группы.
Представители учёного мира считают, что оно представляет собой внушительный экзотический объект, отличающийся высоким уровнем плотности и температуры. Внешне он напоминает огромную чёрную дыру. Современные учёные считают, что их количество равно 2. И вторая из них имеет меньшие размеры. Происходит её вращение вокруг центральной части. А наряду с этим «действует» порядка 1 000 дыр небольшого размера.
Что именно происходит с материей в этой зоне, неподготовленному человеку доподлинно неизвестно. Однако точно можно сказать одно: в тех местах всё земное теряет смысл, поскольку материя обретает экзотическое состояние, и земные законы на ней не работают. Многие специалисты свидетельствуют о том, что каждая чёрная дыра имеет свой горизонт событий. Плотность светил в этой окрестности настолько внушительна, что гипотетический наблюдатель мог бы увидеть с них небо бесконечной яркости.
Однако в сравнении с другими галактическими группами ядерную часть нашей системы можно считать относительно спокойной. Ведь есть и другие объекты, на которых наблюдается колоссальные мощности выделяемой энергии. Поэтому даже вспышки сверхновых светил по сравнению с ними выглядят не так эффектно. Источники, которые обеспечивают этот поток, в настоящее время неизвестны.
NGC 7793
Изучив ядро галактики относительно подробно, астрофизики и физики-теоретики пришли к выводу о том, что в целях обеспечения такого внушительного энергетического выделения реакций, протекающих в ядре, недостаточно. Среди всех известных человеку источников есть смысл предположить, что вещество падает в гравитационном поле. Неясность имеет и вероятная роль тёмной, кинетической энергии, выделившейся в ходе Большого взрыва.
Если говорить об энергетической эффективности, такие процессы запросто могут превосходить любые ядерные реакции на несколько порядков. Хотя не исключено, что в тех «широтах» действуют силы, о которых человечество даже и не догадывается. Поэтому у учёных нет 100% уверенности в том, что они движутся в правильном направлении. Ясно только одно: в таких галактиках могут присутствовать необыкновенные по виду и свойствам объекты, требующие особого подхода к изучению. Это нужно не только в целях понимания строения ядерных элементов, но и для разбирательства с широким спектром философских и астрофизических проблем.
О квазарах
Наряду с этим стоит принять во внимание такие тела и объекты, как квазары. Они отличаются высоким уровнем компактности и располагаются по отношению к Земле на огромных расстояниях (миллиарды парсек). В их спектральных частях происходит внушительное красное смещение, что свидетельствует о больших скоростях и удаления от нашей планеты. Их история изучения богата и длительна. Он уходит в начало 60-х годов. В то время было убеждение в том, что они находятся в пределах Млечного пути, но это не так.
Более того некоторые учёные считают, что квазары напоминают ядра галактик, возможно все галактики проходят стадию квазаров. Но, это одна из теорий, которую учёным ещё придётся проверять и проверять.
Таким образом, ядро галактики – его основная часть, где происходят особые процессы и явления, совершено пока загадочные и непонятные.
Что находится в центре Млечного Пути и других галактик?
Серебристая река на небесах, как называли нашу галактику жители Восточной Азии, буквально кишит звездами и звездной пылью. В представлении древних греков видимый на Земле усеянный звездами путь, считался грудным молоком богини Геры, разбрызганным по небу младенцем Геркулесом. Именно на основе этой легенды ярко светящаяся пылеобразная дуга, протянутая по всему ночному небу получила свое современное научное название: Млечный Путь. Сегодня ученые оценивают количество звезд в галактике примерно в 400 миллиардов. Оценки, сделанные на основе данных, полученных с помощью космического телескопа «Кеплер», позволяют предположить, что в обитаемой зоне этих звезд может обращаться порядка 60 миллиардов планет. Нам, однако, не дано увидеть Млечный Путь во всей его красе – он просто слишком необъятен, чтобы его можно было покинуть. Но если это стало бы вдруг возможно, мы бы рассмотрели и его потрясающие спиральные рукава и заглянули бы в самое его сердце. Как полагают исследователи, в центрах большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры и Млечный Путь не исключение. Но что, если это не так и наша Галактика устроена иначе?
Исследователи полагают, что в центре галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра.
Наш космический дом
Мы видим Млечный Путь таким, потому что находимся внутри него. Так как наша Галактика спиральной формы, снаружи она напоминает две яичницы-глазуньи, приклеенные друг к другу. В ее центре находится похожий на желток балдж, окруженный значительно более плотным диском. Мы находимся примерно на середине пути до края этого диска, на одном из малых спиральных рукавов нашей Галактики.
Большинство астрономов полагают, что ширина Млечного Пути равняется по крайне мере 100 тысячам световых лет. Как пишет в своей книге «Вселенная на ладони» научный журналист Колин Стюарт, луч света, отправившийся в путь с одной стороны галактики 100 тысяч лет назад (когда Homo Sapiens делили планету с неандертальцами), только сейчас добрался бы до другой стороны.
Многие из нас никогда не видели Млечный Путь во всей красе из-за светового загрязнения.
Солнцу требуется приблизительно 220 миллионов лет, чтобы совершить один виток по Млечному Пути. Этот период астрономы называют космическим годом.
Начиная с 1990-х годов астрономы пытались понять и точно установить вокруг чего вращается Галактика. Пристально вглядевшись сквозь 27 тысяч световых лет света и газа, они заметили звезды, которые со свистом вращались вокруг яркого источника радиоволн, сегодня известного как Стрелец А (Sgr A*, произносится как «Звезда А созвездия Стрельца»). Со временем исследователи выяснили колоссальную массу этого объекта – она составила 4 миллиарда Солнц.
«Таким образом, прямо сейчас Солнце тащит нас вокруг черной дыры со скоростью примерно в миллион километров в час», – Колин Стюарт, британский журналист, популяризатор астрономии.
Центр Млечного Пути
Итак, астрономы считают, что в самом сердце нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А* (Sgr А*). Но могут ли они ошибаться? Что, если это вовсе не черная дыра а ядро темной материи? В это трудно поверить, но результаты нового и увлекательного исследования предполагают, что наблюдаемые орбиты галактического центра, а также орбитальные скорости во внешних областях галактики легче объяснить ядром темной материи в ее центре, а не черной дырой. Но сначала немного предистории.
В последние два десятилетия орбита звезды под названием S2 была предметом пристального изучения астрономов. Дело в том, что она вращается по длинной эллиптической петле, которая служила идеальной лабораторией для одного из самых экстремальных испытаний общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна на сегодняшний день.
Центр Галактики – идеальная лаборатория для проверки общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштена.
Затем появился еще один объект под названием G2. Как и S2, он вращался на длинной эллиптической орбите, но вел себя странно проходя периапсис – точку на своей орбите, ближайшую к предполагаемой черной дыре. Он превратился из обычного компактного объекта во что-то длинное и вытянутое, прежде чем снова сжаться до компактного объекта.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!
Это было действительно странно, и природа G2 до сих пор неизвестна. Но как бы то ни было, движение объекта после периапсиса, по-видимому, демонстрирует сопротивление, которое, по мнению группы астрофизиков во главе с Эдуаром Антонио Бесерра-Вергарой из Международного центра релятивистской астрофизики, не полностью согласуется с моделью черной дыры.
Но так как S2 и G2 – не единственные объекты, вращающиеся вокруг галактического центра, команда астрофизиков решила расширить созданную ранее компьютерную модель до 17 наиболее характерных S-звезд. Полученные результаты оказались удивительны – согласно расчетам, в центре Галактики может находиться плотный сгусток темной материи, который истончается до диффузной концентрации на ее окраинах.
Темная материя в сердце Галактики
Вы, вероятно, знаете, что темная материя является одной из самых больших загадок Вселенной. Исследователи полагают, что эта таинственная субстанция ответственна за гравитационные эффекты, которые нельзя объяснить воздействием обычной материи, такой как звезды, пыль и галактики. Темная материя также не вступает в электромагнитное взаимодействие, а потому не доступна прямому наблюдению; считается, что она составляет примерно 80 процентов всей материи во Вселенной.
Таинственное свечение в центре Млечного Пути может свидетельствовать о наличии сгустка темной материи.
Авторы нового исследования предположили, что темная материя может помочь объяснить существование сверхмассивных черных дыр. Полученные результаты показали, что сгусток темной материи может гравитационно схлопнуться в сверхмассивную черную дыру. Это, в свою очередь, могло бы помочь объяснить, как вообще появились сверхмассивные черные дыры, поскольку мы понятия не имеем, как они становятся такими большими и, конечно, не знаем, как много из них появились в ранней Вселенной.
Как пишет Science Alert, разъяснить ситуацию поможет будущий анализ, который либо подтвердит полученные исследователями выводы, либо пробьет брешь в их теории, что тоже не приблизит нас к истине. Как говорится, в космосе все туманно, так что остается только ждать результаты. Полностью ознакомиться с текстом новой научной работы можно здесь, а если вы хотите узнать, как звезды рядом с черной дырой доказали правоту Эйнштейна, обязательно прочтите эту статью.
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.