Кадры из симуляции поглощения газового облака G2 черной дырой

Рис. 1. Кадры из симуляции поглощения газового облака G2 черной дырой Sgr A* в центре Млечного Пути в 2012–2014 годах. Синие эллипсы — орбиты известных звезд вблизи дыры. Видео с сайта space.com

Узкий участок Магелланова Потока, находящийся непосредственно над центром Млечного Пути, проявляет избыточное свечение в линии Hα, которое нельзя объяснить засветкой от скоплений молодых звезд в Галактике. Если предположить, что газ был возбужден ультрафиолетовым излучением, связанным с джетами центральной черной дыры, то ядро Млечного Пути должно было быть намного более активным в недавнем по космическим меркам прошлом. Необходимые для объяснения избыточной эмиссии темпы поглощения вещества центральной черной дырой и связанная с ними светимость аккреционного диска в 10 8 раз больше современных значений и сравнимы с таковыми для типичных сейфертовских галактик. Таким образом, и Млечный Путь проходил в прошлом через стадию активной галактики.

Черные дыры и активные галактики

В центре почти каждой большой галактики имеется сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Как и всякая черная дыра, СМЧД — это объект столь плотный и массивный, что его гравитация не позволяет ничему попавшему внутрь дыры улететь обратно, включая даже свет. Черные дыры в центрах галактик имеют массу от сотен тысяч до десятков миллиардов масс Солнца, и влияние их тяготения на объекты в центре галактик очень велико. Оно разгоняет обращающиеся вокруг дыры звезды (см., например, S2) и газопылевые облака до сотен и тысяч километров в секунду и способно поглощать, а также — за счет приливных сил — деформировать и разрушать газопылевые облака, а иногда даже сами звезды, проходящие вблизи.

Радиус черной дыры определяется радиусом горизонта событий — воображаемой поверхности, на которой вторая космическая скорость равна скорости света, — и является минимально возможным для объекта данной массы. Радиус пропорционален массе: r = 2 G M/ c 2 (в предположении, что черная дыра не вращается; здесь G — гравитационная постоянная, а c — скорость света) и для черной дыры в центре Млечного Пути, масса которой оценивается в 4,3 миллиона масс Солнца, равен примерно 12 миллионов километров — это впятеро меньше среднего расстояния от Меркурия до Солнца. Но размер области, где силы притяжения уже очень велики и разгоняют вещество до тысяч и десятков тысяч километров в секунду, гораздо больше. В этом и состоит объяснение того, что окрестности черных дыр как звездной, так и сверхмассивной весовой категории часто являются источниками интенсивного ионизирующего излучения и потоков заряженных частиц.

Как правило, приближающийся к черной дыре объект не может сразу попасть под горизонт событий — для этого нужно почти полное отсутствие касательной скорости. При заметном отличии ее от нуля (а это почти всегда так) объект только пройдет вблизи от дыры по сильно вытянутой орбите. Таким объектом может оказаться облако пыли и газа. Обычно размеры этих облаков в тысячи и даже миллионы раз больше диаметра дыры, а силы притяжения между близкими объемами вещества в них слабые. Поэтому вблизи от черной дыры скорости и траектории разных фрагментов облака могут очень сильно отличаться (рис. 1).

Огромные силы трения между сталкивающимися потоками газа, которые движутся с очень большими скоростями, приводят к их разогреву до десятков и сотен тысяч градусов и мощному свечению в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Это происходит за счет кинетической энергии движущихся масс пыли и газа. Наиболее интенсивно эти процессы идут в периапсисе (ближайшей к центральному телу точке орбиты). Поэтому вещество теряет скорость и переходит на более близкие к черной дыре круговые орбиты — так образуется аккреционный диск. Газ в нем также испытывает трение между быстро вращающимися внутренними и медленно вращающимися внешними областями. За счет трения газ во внутренних областях замедляется и падает в черную дыру, при этом нагреваясь до десятков миллионов градусов и излучая еще мощнее. Но даже этот газ не попадает в дыру полностью: остаток «выстреливается» от ее полюсов в виде струй — джетов — со скоростями, близкими к скорости света. Детали этого процесса до сих пор неизвестны, но предполагается, что образованием джетов управляет не кумулятивный эффект, а магнитные поля аккреционного диска. Однако распространенность этого процесса очевидна: джеты имеются у многих активных галактик (рис. 2) и даже у двойных звездных систем вроде SS 433, в которых один из компонентов — черная дыра — поглощает вещество компаньона — обычной звезды.

Галактика M87

Рис. 2. Галактика M87. Синяя полоса — джет, истекающий из окрестностей центральной черной дыры. Синее свечение представляет собой синхротронное излучение, вызванное взаимодействием движущихся с околосветовой скоростью электронов в плазме джета с магнитными полями галактики. Изображение с сайта apod.nasa.gov

Падение вещества в черную дыру — самый эффективный после аннигиляции процесс преобразования материи в энергию. Он может освобождать до десятков процентов энергии покоя вещества, то есть в несколько раз больше, чем термоядерный синтез в недрах звезд. Поэтому ядра активных галактик, называемых также сейфертовскими, имеют светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, — много миллиардов солнечных. Иногда светимость ядра даже в сотни раз превышает светимость остальной галактики. Тогда галактика называется квазаром. Фаза квазара длится миллионы лет, что достаточно мало по космическим меркам, но через нее проходят многие галактики, особенно — пережившие недавнее слияние, когда их межзвездный газ смешивается, теряет орбитальную скорость и падает в черную дыру в новообразовавшемся центре. Квазар может образоваться и после столкновения Млечного Пути с туманностью Андромеды, которое ожидается через четыре миллиарда лет.

Был ли Млечный Путь активной галактикой?

Почему же мы не видим ядра Млечного Пути на ночном небе в созвездии Стрельца? Одна из причин — в том, что его заслоняет большое количество межзвездной пыли в плоскости галактики. Но наблюдения в дальнем инфракрасном и радиодиапазоне, в которых пыль прозрачна, показали, что окрестности черной дыры в Млечном Пути удивительно спокойны. Светимость непосредственных окрестностей черной дыры сопоставима с несколькими сотнями светимостей Солнца, что на девять порядков меньше, чем могло бы быть. Но было ли так всегда?

Первые свидетельства возможной активности Млечного Пути в прошлом появились в 1996 году, когда было обнаружено так называемое световое эхо: отразившееся от газопылевых облаков излучение вспышки активности в ядре. Это излучение шло к нам не прямо — сначала ему пришлось достичь «зеркала» в нескольких сотнях световых лет от центра Галактики. Поэтому оно запаздывает на некоторое время относительно излучения, которое идет к нам напрямик, то есть вспышка была на несколько сотен лет раньше, чем то, что мы сейчас видим (напомним, что мы видим окрестности центра Галактики такими, какими они были примерно 26 000 лет назад). В тот момент светимость окрестностей центральной черной дыры в течение некоторого времени достигала 10 31 –10 32 ватт (порядка 100 000 солнечных). Еще один небольшой всплеск активности может наблюдаться прямо сейчас, с аккрецией газового облака G2 массой в несколько земных (см. рис. 1)

Пузыри Ферми

Другим явлением, свидетельствующим о более ранней и гораздо более мощной и продолжительной активности, являются пузыри Ферми, названные так по имени Энрико Ферми, внесшего огромный вклад в понимание физики высокоэнергетических процессов, и открытые на снимках космического телескопа, названного его же именем (рис. 3). Эти пузыри образуют похожую на восьмерку структуру вокруг центра Галактики, с долями, простирающимися на тысячи световых лет перпендикулярно ее диску. «Стенки» пузырей, особенно их ближайшая к плоскости Галактики часть, излучают в рентгене, а остальные области — в гамма-диапазоне с энергией квантов до единиц и десятков ГэВ, что похоже на результат столкновении материи, окружающей Галактику, с мощным потоком горячего газа, идущего из ее центра.

Пузыри Ферми

Рис. 3. Пузыри Ферми. Сверху: карта неба в гамма-лучах энергии 2–5 ГэВ, снятая космическим телескопом Ферми. Снизу: изображение на основе этой карты. Конусы ионизированного и сильно разогретого газа наблюдались на рентгеновских снимках активных галактик — теперь такая структура найдена и в Млечном Пути. Изображения с сайта www.nasa.gov

Ученые, открывшие пузыри Ферми, предполагали несколько механизмов их образования, но наиболее интересный из них связан с тем, что ядро Млечного Пути было активным в прошлом, а пузыри Ферми появились при столкновении испускаемого центральной черной дырой джета с межгалактическим газом, двигающимся навстречу за счет притяжения Млечного Пути. То, что вещество в джете движется с околосветовой скоростью, способно объяснить наблюдаемый спектр гамма-излучения пузырей Ферми, а необходимая для их образования энергия укладывается в диапазон энерговыделения ядра галактики за период его активности.

Магелланов Поток

Наша Галактика и ее окрестности

Рис. 4. Наша Галактика и ее окрестности. Магелланов Поток обозначен красной полосой под диском Галактики. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Еще одно свидетельство в пользу того, что ядро Млечного Пути могло проявлять значительную активность, пришло из изучения Магелланова Потока (красная полоса на рис. 4; см. также Magellanic Stream). Этот поток крайне разреженного газа, следующий за Большим и Малым Магеллановыми облаками, протянулся на 100° вдоль их орбиты вокруг Млечного Пути. Расстояние до Потока точно не определено и сейчас известно с большой погрешностью: оно оценивается в 55–100 кпк от ядра. Группа астрономов из Сиднейского университета под руководством Джосса Бленд-Хоторна (Joss Bland-Hawthorn) исследовала этот поток и обнаружила его неожиданно сильное и необычное свечение в линии Бальмера Hα.

Кванты света этой линии испускаются при переходе электрона в возбужденном атоме водорода, который является основным составляющим Магелланова Потока (содержание тяжелых элементов — в 10 раз меньше по сравнению с Солнцем), с третьего на второй энергетический уровень, и имеют длину волны 656,4 нм. Интенсивность свечения пропорциональна доле возбужденных атомов. Если газ был возбужден короткой вспышкой, то излучение затухает со временем, поскольку возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, и, зная закон затухания (то есть все параметры, которые его определяют), можно рассчитать время вспышки по остаточной интенсивности. Характерное время рекомбинации, а значит, и спадания интенсивность флуоресценции, в условиях крайне разреженного газа потока составляет несколько сотен тысяч лет. Когда концентрация атомов в 10 20 раз меньше, чем в воздухе, а расстояние между атомами в сотни миллионов раз больше их размера, электронам и ядрам еще надо найти друг друга!

Изображение Магелланова Потока на длине волны 21 см и схема расположения его основных фрагментов

Рис. 5. Слева: изображение Магелланова Потока, полученное с помощью радиотелескопа LAB на длине волны 21 см, соответствующей линии нейтрального водорода. Координаты l M — «долгота» Магелланова Потока, b M — отклонение от средней линии, в градусах. Звездочка соответствует точке над центральной черной дырой, красные и синие кружочки — области измерения флуоресценции в линии Hα (обзор Wisconsin H-Alpha Mapper, 2012). Шкала соответствует плотности по лучу зрения: сколько атомов водорода содержится в столбике сечением 1 см 2 , проходящем через весь Магелланов поток. Если предположить, что толщина потока равна 1 кпк (3*10 21 см) и что газ распределен равномерно вдоль луча зрения, то объемная концентрация получится 0,03 атомов водорода в см 3 (для сравнения: в окрестностях Солнечной системы средняя плотность вещества составляет 1 частицу в см 3 ). В реальности распределение плотности более сложное. Справа: относительное расположение Млечного Пути, Большого Магелланова Облака (LMC) и наиболее крупных фрагментов Магелланова Потока (MS I — MS VI); эта схема перевернута относительно рис. 4. Синим цветом обозначен предполагаемый конус ионизации. Период обращения газа вокруг Млечного Пути приблизительно равен 200 миллионов лет, поэтому Поток можно считать неподвижным в течение описываемых далее событий. Изображения из обсуждаемой статьи

Изображение Потока в радиоволнах длиной 21 см, и его схематическое расположение относительно Галактики и ее спутников приведено на рисунке 5, а распределение интенсивности свечения в линии Hα — на рисунке 6. Магелланов Поток проходит над центром галактики как раз там, куда должен быть направлен джет черной дыры от сейфертовской вспышки, и именно в этой области свечение возбужденного газа в несколько раз сильнее, чем в остальном Потоке!

Яркость свечения Магелланова Потока по данным различных обзоров

Рис. 6. Яркость свечения Магелланова Потока по данным различных обзоров. По вертикали — интенсивность излучения, по горизонтали — долгота в системе координат Магелланова Потока. Наиболее близкая к галактическому полюсу область соответствует l M = 303°. Предполагаемая область воздействия излучения активного ядра отграничена вертикальным пунктиром . Синяя пунктирная кривая внизу — максимальный уровень излучения, который можно объяснить только фоновой засветкой от звездного населения и горячего газа Млечного Пути; зеленая линия — наблюдаемая средняя яркость в линии Hα. Зеленые стрелки соответствуют угасанию после эпизода активности со светимостью 0,1 от максимальной, если истинное расстояние до Потока равно 55 кпк ( длинная стрелка ) и 100 кпк (короткая стрелка). Схема из обсуждаемой статьи

По следам сейфертовской вспышки

Конечно, авторы исследования уделили внимание и альтернативным объяснениям избыточного свечения; подробности можно прочесть в исходной статье. Среди них и нагрев каскадом ударных волн от взаимодействия с межгалактическим веществом, и засветка фоновым ультрафиолетовым излучением всех звезд в Галактике. Однако, как было показано, эти механизмы не дают удовлетворительного объяснения, и это дополнительно подтверждает основную модель. На ней и сосредоточимся здесь. В отличие от фонового, излучение от аккреции на центральную черную дыру характеризуется гораздо более жестким спектром (рис. 7) и большей направленностью. Максимальная интенсивность этого излучения называется эддингтоновским пределом, который задается такой светимостью, выше которой давление электромагнитного излучения превышает силу притяжения центрального объекта и приводит к рассеиванию аккреционного диска. Эддингтовский предел пропорционален массе черной дыры: L = 35000*M СМЧД светимостей Солнца. Для Млечного Пути с его сравнительно легкой сверхмассивной черной дырой (4,3 миллионов масс Солнца), он соответствует темпу аккреции 0,2 солнечных массы в год и светимости 1,4·10 11 L sol , из которых значительная доля приходится на излучение с энергией больше 13,6 эВ. Благодаря этому максимальная возможная мощность ультрафиолетовой компоненты в десятки раз превышает интенсивность фонового излучения всех звезд в Галактике. Некоторые сейфертовские галактики, например, NGC 1068, имеют светимость ядра, близкую к пределу Эддингтона, но из статистики наблюдений следует, что это так только в течение коротких и интенсивных всплесков активности, вызванных падением новой массы к дыре, а большую часть времени светимость ядер активных галактик намного меньше. Однако, в пике активности светимость ядра намного больше, чем у самых массивных скоплений горячих и молодых звезд, особенно в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, и ее вполне может хватить для полной ионизации всего газа в части Магелланова Потока, расположенной над полюсом.

Спектр излучения ядер активных галактик

Рис. 7. Спектр излучения ядер активных галактик. По вертикали — логарифм числа фотонов данной энергии для красной кривой , и спектральной интенсивности излучения для черной . Черная кривая получается домножением красной на энергию. Точки — наблюдаемое излучение ядра сейфертовской галактики NGC 1068, которая служит моделью для изучения активности ядра Млечного Пути. Подъем на малых энергиях соответствует излучению аккреционного диска как абсолютно черного тела, фотоны более высоких энергий — нетепловому излучению областей в непосредственной близости от черной дыры. Рисунок из обсуждаемой статьи

Чтобы рассчитать, когда произошла вспышка и насколько она была интенсивной, нужно построить математическую модель события, учитывающую все происходящие процессы. После начала вспышки требуется время, чтобы свет от центра галактики дошел до облака — 170–320 тысяч лет. Атомарный водород сильно непрозрачен для ультрафиолета с энергией в десятки эВ, то есть сначала излучение поглощается тонким слоем газа на внутреннем краю Магелланова Потока. Однако плазма прозрачна, поэтому как только этот слой оказывается полностью ионизирован, излучение начинает проникать глубже и ионизирует следующий слой, и так, пока фронт ионизации не дойдет до внешней стороны облака, или пока не закончится вспышка. Рекомбинация и свечение в линии Hα, как и в других эмиссионных линиях водорода, начинается сразу же, как только газ ионизирован, хотя на Земле это можно будет увидеть еще на 170–320 тысяч лет позже, так как требуется время для путешествия фотонов от облака к Земле — таким образом, суммарная задержка из-за конечной скорости света составит около полумиллиона лет. Рассчитанные зависимости яркости потока в линии Hα от времени (без учета времени путешествия света) представлены рисунке 8.

Зависимости светимости поверхностной яркости Магелланова Потока в линии Hα от времени

Рис. 8. Зависимости светимости поверхностной яркости Магелланова Потока в линии Hα от времени, при вспышке со светимостью 10% от предела Эддингтона, если истинное расстояние до Потока равно 55 кпк ( слева ) и 100 кпк ( справа ). Кривые соответствуют концентрациям 1, 0,3, 0,1, 0,03 и 0,01 атомов водорода на кубический сантиметр соответственно; горизонтальная пунктирная прямая — наблюдаемая сейчас яркость. По вертикали — логарифм поверхностной яркости (1 = 10 3 /4π фотонов с квадратного сантиметра в секунду в стерадиан), по горизонтали — логарифм времени с момента достижения Потока излучением вспышки, в годах (без учета времени распространения света от Потока до наблюдателя). Графики из обсуждаемой статьи

При одинаковой интенсивности вспышки, б о льшие расстояния до Потока соответствуют меньшей наблюдаемой яркости, а б о льшие концентрации газа — более быстрому угасанию флуоресценции. Как видно, большие погрешности в определении расстояния и плотности потока соответствуют большой погрешности в определении времени вспышки. Кроме того, одному и тому же времени вспышки могут соответствовать разные параметры: большое расстояние и малая плотность газа в Потоке, или наоборот, меньшее расстояние, но более высокая плотность. Нижняя граница количества прошедшего с момента вспышки времени определяется, помимо модели флуоресценции, и фактом, что мы уже видим эмиссию, а значит, свет от вспышки дошел до Потока, а свет эмиссии — от Потока до нас. В то же время верхняя граница определяется временем рекомбинации при самых малых плотности газа в Потоке и расстоянии до него, а наиболее вероятное время вспышки, соответствующее наиболее вероятным параметрам, — 1–5 миллионов лет назад.

Кроме того, интенсивность эмиссии повышается и с увеличением максимальной светимости в момент вспышки. Зависимости параметров модели от интенсивности вспышки приведены на рисунке 9. Из этих зависимостей следует, что интенсивность вспышки составляла как минимум несколько процентов от предела Эддингтона, что помещает Млечный Путь в момент вспышки в класс сейфертовских галактик! Чем меньше светимость, тем меньшая плотность газа требуется, чтобы остаточный уровень эмиссии через данное время после конца активности был таким, как сейчас, а не более низким и не упал до ненаблюдаемых значений. Ввиду времени распространения света вспышка не могла произойти позже, чем несколько сотен тысяч лет назад, и если предположить, что ее светимость была менее одного процента от максимальной, требуется нереалистично низкая плотность газа в Потоке, чтобы объяснить, как остаточная эмиссия в линии Hα сохранилась на нынешнем уровне в течение такого времени.

Интенсивность вспышки, ее возраст и время спадания свечения

Рис. 9. Интенсивность вспышки, ее возраст и время спадания свечения, необходимые, чтобы обеспечить текущую интенсивность свечения Магелланова потока при различных объемных плотностях газа и расстоянии до потока 55 кпк ( слева ) и 100 кпк ( справа ). Серая область соответствует светимости, большей, чем предел Эддингтона. Графики из обсуждаемой статьи

Что же еще свидетельствует в пользу гипотезы об активности ядра Млечного Пути? Как известно, звезды могут образовываться непосредственно во внешних частях массивного аккреционного диска черной дыры за счет гравитационного коллапса флуктуаций плотности газа. Поскольку приливные силы и различие скоростей движения соседних объемов газа в диске разрушает небольшие флуктуации плотности, распределение звезд по массам при образовании в аккреционном диске сдвинуто в сторону очень массивных звезд. И в непосредственной близости от «нашей» черной дыры имеется плотная группа из 80 ярких и массивных звезд классов O и B, спектры которых свидетельствуют о возрасте 2,5–8 миллионов лет, а расстояния этих звезд от центра настолько малы, что они не могли образоваться по другому механизму. Таким образом, их наличие неявно указывает на возможность эпизода массивной аккреции несколько миллионов лет назад. Кроме того, одно массивное газопылевое облако, сейчас удаляющееся от центра Галактики, должно было пройти вблизи центральной черной дыры 1 миллион лет назад, что должно было вызвать его приливную деформацию и падение большого количества газа в черную дыру. Сейфертовская вспышка могла быть связана с одним из этих событий, или даже с обоими. На восемь порядков сниженная по сравнению со вспышкой активность ядра в настоящее время не противоречит этим выводам, поскольку давление электромагнитного излучения вспышки достаточно сильно, чтобы рассеять еще не упавшие в аккреционный диск фрагменты облака, а без притока материи активность галактического ядра быстро ослабевает.

Таким образом, сразу несколько свидетельств указывают на то, что наша Галактика далеко не всегда была спокойной, и переживала один или несколько эпизодов интенсивной активности только в течение последних 10 миллионов лет. Если предположить, что один из этих эпизодов является ответственным за флуоресценцию водорода в Магеллановом Потоке, то светимость ядра Галактики должна была быть очень мощной, что помещает Млечный Путь в момент вспышки в класс сейфертовских галактик. Эта светимость составляет около 10 миллиардов светимостей Солнца, что на восемь порядков выше современной величины. Если бы не пыль в плоскости Галактики, ее центр выглядел бы на ночном небе почти так же ярко, как молодая Луна. Но пыль так сильно ослабляет видимый свет, что, даже будь в центре Галактики квазар, он бы не был виден. Возможно, в ясные ночи удавалось бы разглядеть его отблески на газопылевых облаках, близких к центру, но отстоящих от плоскости галактики.

Описанные наблюдения и сделанные из них выводы показывают, что разделение галактик на активные и неактивные не является постоянным. Такой вывод можно было сделать, поскольку время изменений, с одной стороны, очень велико по сравнению с периодом наблюдений (и даже существованием самого человечества) и не позволяет непосредственно пронаблюдать изменение активности галактик, а с другой — достаточно мало, чтобы некогда активная галактика могла показаться совершенно спокойной несколько миллионов лет спустя. Однако следы этой активности сохраняются дольше, и методы современной астрономии позволяют заметить их и исследовать. Это — своеобразная галактическая археология, с помощью которой можно разглядеть настоящую картину — одна и та же галактика может быть неактивной, сейфертовской и даже квазаром в течение своей жизни.

J. Bland-Hawthorn at al. Fossil Imprint of a Powerful Flare at the Galactic Centre Along The Magellanic Stream ,     elementy.ru/news/432163

Иван Лаврёнов