Млечный Путь – это не только туманная дорожка, видимая на
небе вдали от городских огней. Млечный путь – это наш дом и одна из
многочисленных галактик, которые разбросаны по Вселенной. Проще говоря – это
гигантская звездная система. По самым скромным подсчетам в ней находится не
менее 200 млрд. звезд. В настоящее время все больше склоняются к цифре в 400
млрд. звезд. Наше Солнце – одна из таких звезд. Все эти звезды связаны силами
гравитации и осуществляют движение по замкнутым орбитам подобно тому, как и
планеты нашей солнечной системы вращаются вокруг нашего светила. Все это бесчисленное многообразие звездных
систем, составляющих Млечный путь, не разбросано по космическому пространству
как попало, а объединено в колоссальное образование, имеющее форму диска с
утолщением посередине. Диаметр диска равен 100 000 световых лет (один световой
год соответствует расстоянию, которое проходит свет за год, это примерно 10¹³
км) или 30 659 парсек (один парсек составляет 3,2616 световых лет). Толщина
диска равна нескольким тысячам световых лет, а его масса превышает массу Солнца
в 3×10¹² раз.
Т.е, наша галактика – спиральная, имеющие форму диска с
толстой центральной выпуклостью и спиральными рукавами, вращающимися наружу,
словно вертушки. Галактический диск по своей структуре неоднороден. Он имеет
отдельные зоны с высокой плотностью, которые представляют из себя эти самые
спиральные рукава. В них продолжается непрерывный процесс образования новых
звезд, а сами рукава тянутся вдоль ядра и как бы огибают его полукругом. В
настоящее время таковых насчитывается пять. Это рукав Лебедя, рукав Персея,
рукав Центавра и рукав Стрельца. В пятом рукаве – рукаве Ориона – находится
Солнечная система. Спиральные газовые
рукава простираются на расстояние до 3 —
4,5 тысяч парсек и одновременно удаляются в стороны, с радиальной скоростью
около 50 км/с. Кинетическая энергия движения составляет 1055 эрг.
Масса Млечного пути складывается из массы звезд,
межзвездного газа, пылевых облаков и гало, имеющего форму огромной сферы,
состоящей из разреженного горячего газа, звезд и темной материи. Темная материя
представляется совокупностью гипотетических космических объектов, из масс
которых состоит 95% всей Вселенной. Эти таинственные объекты невидимы и никак
не реагируют на современные технические средства обнаружения. О наличии темной
материи можно догадываться только по ее гравитационному воздействию на видимые
скопления солнц. Таковых, доступных для наблюдения, не так уж и много.
Человеческий глаз, даже, усиленный мощнейшим телескопом, может созерцать только
два миллиарда звезд. Все остальное космическое пространство скрыто огромными
непроницаемыми облаками, состоящими из межзвездной пыли и газа.
Как и у любой звездной (солнечной) системы, у любой из
галактик имеется центральная «точка –
область», вокруг которой эти системы собственно и вращаются в строго заданном
режиме. Наше Солнце от центра галактики находится очень и очень далеко, и это
хорошо. Так как галактический центр - это опасное место с большим количеством
радиации, и сверхмассивной черной дырой, пожирающей все, что в нее попадает.
Наш галактический центр – сравнительно небольшая область в
центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства
которой резко отличаются от свойств других еe частей. Образно говоря,
галактический центр – это космическая «лаборатория», в которой и сейчас
происходят процессы звездообразования и в которой расположено ядро, когда-то
давшее начало конденсации всех звездных систем Млечного пути ( в том числе и
нашей звездной системы).
Галактический центр находится на расстоянии 8,5 килопарсек
от нашей Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической
плоскости сосредоточено большое количество межзвeздной пыли, из-за которой
свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звездных величин, то
есть в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне – невооруженным
глазом и при помощи оптических телескопов. Если бы не эта пыль, то земляне
могли наблюдать галактический центр в небе, и их их взорам предстало бы
феерическое зрелище – гигантский светящийся эллипсоид, который по своим
размерам был бы больше Луны в сто раз.
Центральная часть Галактики с точки зрения земного
наблюдателя. Для масштаба показан диск Луны размером полградуса. Из-за
расположения Солнечной системы в диске Галактики пылевая полоса затрудняет
наблюдения. Поэтому полоса шириной 1 градус исключена из анализа :
Зато галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а
также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей. Первое
изображение ядра Галактики было получено в конце 1940-х годов А. А. Калиняком,
В. И. Красовским и В. Б. Никоновым в инфракрасном диапазоне спектра.
Координаты Галактического центра: 17ч. 45мин. 40,045с -29° 0′ 27,9″
Самой крупной особенностью галактического центра является
находящееся там звeздное скопление (звeздный балдж) в форме эллипсоида вращения,
большая полуось которого лежит в плоскости Галактики, а малая – на еe оси.
Балдж (от англ. «вздутие, выпуклость») — сферическая
объемная оболочка центра галактики. Его составляют крупные звезды-гиганты,
старые светила и шаровые звездные скопления. Балдж — самая концентрированная и
наиболее яркая часть любой галактики. Его наличие является индикатором
сверхмассивной черной дыры. Рядом с балджем может находиться бар (от англ.
«перемычка») — вытянутый «мостик» между балджем и галактическими рукавами. В
эпоху фотографической фотометрии галактик самую яркую их подсистему - ядра -
как ни странно, изучать было невозможно: на снимках они получались всегда
передержанными. По-настоящему исследованием звездных ядер галактик астрономы
занялись только в последние 25 лет, когда появились приемники с зарядовой
связью (ПЗС), способные одновременно измерять потоки света в большом
динамическом диапазоне, и когда заработал в полную силу космический телескоп
«Хаббл» (HST), позволивший фотометрировать галактики с пространственным
разрешением на порядок выше, чем это возможно с Земли. С помощью HST удалось
подобраться к самым центрам галактик и увидеть в деталях их структуру, а
последующие спектральные наблюдения с Земли с помощью мощных спектрографов,
оснащенных ПЗС, дали нам знание о динамических свойствах и характеристиках
звездного населения ядер.
Орбитальная скорость звeзд на расстоянии около килопарсека от
центра галактики составляет примерно 270 км/с, а период обращения — около 24
млн лет. Наша солнечная система со всеми своими планетами – астероидами –
кометами и т.д. несется по своей орбите со скоростью 220 км/с, а полный оборот
вокруг галактического центра делает за 220 млн. лет. Правда есть и другая цифра
– 250 млн. лет. Даже страшно себе представить количество лет, за которые делает
полный оборот уже наша галактика, вокруг возможного гипотетического центра
Вселенной. И так до бесконечности....
Конечно, и сама вся наша гигантская Галактика летит
относительно других галактик. Скорости индивидуальных галактик достигают сотен
и тысяч км/с. Одни галактики приближаются к нам, как, например, знаменитая
туманность Андромеды, другие удаляются от нас.
Все галактики и скопления галактик также участвуют в общем
космологическом расширении, которое заметно, однако, только при масштабах более
10–30 миллионов световых лет. Величина этой скорости расширения линейно зависит
от расстояния между галактиками или их скоплениями и равна, по современным
измерениям, около 25 км/с при расстоянии между галактиками миллион световых
лет.
*
Масса центрального скопления галактического центра составляет примерно 10 млрд.
масс Солнца. Концентрация звезд скопления резко увеличивается к центру.
Звeздная 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 звeздная плотность
составляет около 0,07 солнечных масс на кубический парсек).
Внутри скопления обнаружен газовый диск радиусом около 700
парсек и массой около ста миллионов масс Солнца. Внутри диска находится
центральная область звездообразования.
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 парсек 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.
Еще 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
(около 20,6 а. е.), 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 звeздообразования. Там должны находиться
самые старые звeзды. По всей видимости, в самом центре ядра нашей Галактики
находится сверхмассивная черная дыра, что показано исследованием орбит
близлежащих звезд. В течение 16 лет астрономы отслеживали траектории нескольких
десятков звезд, вращающихся вокруг этого неизвестного центра масс. Они
двигаются настолько быстро, что за несколько лет наблюдения одна звезда даже
совершила полный виток вокруг этого космического объекта. Исследователи пришли
к выводу, что такое движение может быть вызвано лишь воздействием мощных
гравитационных сил невидимой черной дыры. Иного объяснения этим явлениям не
смогли подобрать. Теперь уже установлено точное местонахождение этого
таинственного объекта и даже вычислена его масса. Черная дыра оказалась в 4
миллиона раз массивнее нашего Солнца.
История открытия такова: Вплоть до конца 1960-х годов не
существовало эффективных инструментов для изучения центральных областей
Галактики, поскольку плотные облака космической пыли, закрываюшие от
наблюдателя галактическое ядро, полностью поглощают идущее из ядра видимое
излучение и значительно осложняют работу в радиодиапазоне. Ситуация коренным
образом изменилась благодаря развитию инфракрасной астрономии, для которой
космическая пыль практически прозрачна.
16 октября 2002 года международная исследовательская группа
Института Макса Планка во главе с Райнером Шеделем сообщила о наблюдениях
движения звезды S2 вокруг объекта Стрелец A* за десять лет. Наблюдения
доказывали, что Стрелец A* — объект огромной массы. По анализу элементов орбит
вначале было определено, что масса объекта составляет 2,6 млн M☉, эта
масса заключена в объеме не более 17 световых часов (120 а.e.) в диаметре.
Последующие наблюдения установили более точное значение массы — 3,7 млн M☉, а
радиус не более 6,25 светового часа (45 а.e.). Для сравнения: Плутон отдален от
Солнца на 5,51 светового часа. Эти наблюдения позволили предположить, что
объект Стрелец A* связан с чёрной дырой.
В декабре 2008 года исследователи из Института внеземной
физики Макса Планка опубликовали уточненные данные о массе предполагаемой
сверхмассивной чёрной дыры по результатам наблюдений за 16 лет. Она составила
4,31 ± 0,36 миллионов масс Солнца. Райнхард Генцель, руководитель группы,
отметил, что это исследование является лучшим опытным свидетельством
существования сверхмассивных черных дыр. Последние наблюдения с высоким угловым
разрешением на длине волны 1,3 мм показывают, что угловой диаметр источника
равен 37 микросекундам дуги, что на данном расстоянии соответствует линейному
диаметру 44 млн км (ср. с перигелием орбиты Меркурия, 46 млн км). Поскольку
гравитационный радиус объекта массой М равен Rg = 2,95(M/M☉) км,
для данной массы он составляет (12,7 ± 1,1) млн км, и измеренный радиус
источника лишь вдвое больше гравитационного радиуса центрального объекта. Это
согласуется с ожидаемым существованием излучающего аккреционного диска вокруг
черной дыры.
Излучение источника Стрелец А* вызвано аккрецией газа на
черную дыру, радиус излучающей области (аккреционный диск, джеты) не более 45
а. е. Стрелец A* (в центре) и два световых эха от недавнего взрыва (в кружке) :
В 2016 году японские астрофизики сообщили об обнаружении в
Галактическом центре второй гигантской черной дыры. Эта черная дыра находится в
200 световых годах от центра Млечного Пути. Наблюдаемый астрономический объект
с облаком занимает область пространства диаметром 0,3 светового года, а его
масса составляет 100 тысяч масс Солнца. Пока точно не установлена природа этого
объекта - это черная дыра или иной объект.
Существует мнение, что в центре нашей галактики может
находиться так называемая кротовая нора или червоточина. То есть,
пространственно-временной тоннель, ведущий в другие галактики. А то и в другие
вселенные. Более того, по мнению ученых, такой тоннель действительно
существует. На него указывают аномалии в движении звезд, скорость которых
отличается от вычисленной согласно законам небесной динамики.
В реальности никто и никогда не видел ни одной «кротовой
норы». Но их существование не противоречит теории относительности Эйнштейна.
Вот так галактику Млечный Путь, возможно, видят с ребра
разумные существа из другой галактики. Центральный балдж в форме арахиса
заполнен звездами, а диск со спиральными рукавами перекрыт полосой пыли :
Центральная часть Млечного Пути на фоне обсерватории La Silla (Чили)
Итак, 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 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 = 2GM/c2 (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.
Пример : 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.
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 и даже у двойных звездных систем вроде SS 433, в которых один из
компонентов — черная дыра — поглощает вещество компаньона — обычной звезды.
Пример : 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.
