На відео центру нашої Галактики зорі за кілька десятиліть описують помітні дуги й розвертаються біля місця, де не видно звичайної зорі. Що може так сильно змінювати їхній рух? Відповідь отримали, зіставивши кілька різних видів спостережень.

У центрі Чумацького Шляху міститься надмасивна чорна діра, пов’язана з компактним джерелом Стрілець A, або Sgr A. Її маса — приблизно чотири мільйони сонячних мас.** Навколо є щільне зоряне скупчення, газ і пил; весь цей складний район не слід називати однією чорною дірою. NASA: центральне зоряне скупчення, Chandra: середовище центру, 2026.

Пил приховує центр від звичайного погляду

Центр Галактики лежить у напрямку сузір’я Стрільця, приблизно за 27 тисяч світлових років. Між нами й ним є міжзоряний пил, який сильно послаблює видиме світло. Темна пляма на звичайній фотографії цього напрямку тому не є знімком чорної діри: вона може бути наслідком пилового заслону.

На довших хвилях — зокрема в інфрачервоному та міліметровому діапазонах — можна досліджувати те, що пил приховує у видимому світлі. Саме тому в історії відкриття поєдналися радіоспостереження компактного джерела та інфрачервоні вимірювання руху окремих зір. Назва Sagittarius A* стосується особливо компактного джерела в набагато складнішій центральній радіообласті. ESO: як спостерігали Стрілець A*.

Зорі дозволяють зважити невидимий центр

Уявімо, що ми бачимо лише супутник, який обертається навколо прихованого тіла. Розмір орбіти та час оберту допомагають оцінити масу, що керує його рухом. Це не вгадування за яскравістю: масивне тіло впливає на сусіда навіть тоді, коли саме не світиться.

Біля Sgr A* астрономи багато років вимірювали положення зір на небі та швидкість уздовж променя зору, яку визначають за спектром. Разом ці дані дозволяють відновити просторові орбіти. Зоря S2 робить оберт приблизно за 16 років і в найближчій точці проходить приблизно за 120 астрономічних одиниць від центрального об’єкта. Астрономічна одиниця — середня відстань Земля–Сонце. ESO: орбіта S2.

Орбіти вказують не просто на велику масу, а на дуже велику масу в дуже малій області. Вимірювання також обмежують, скільки речовини може бути розподілено навколо центральної маси всередині орбіти S2. Звичайне розлоге скупчення не дає того самого поля тяжіння на всіх цих відстанях. GRAVITY, 2020: вимірювання, модель орбіти та межі розподіленої маси.

Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити

Як розмір орбіти й період дають масу

Для навчальної оцінки візьмемо ньютонівську орбіту малої зорі навколо значно масивнішого компактного тіла. Нехтуємо іншими тілами й релятивістськими поправками. Якщо a — велика піввісь, тобто половина довгої осі орбіти, а P — її період, то:

M ≈ (4(π)^(2)(a)^(3))/(G(P)^(2)).

Тут G — гравітаційна стала. У сонячних масах, астрономічних одиницях і роках зручно записати ту саму оцінку:

(M)/(M_(⊙)) ≈ ((a/au())^(3))/((P/yr())^(2)).

OpenStax: рух по орбіті й маса.

Візьмімо навмисно округлений навчальний приклад: a = 1000 астрономічних одиниць і P = 16 років. Отримаємо (1000)^(3)/(16)^(2) = 3 906 250, тобто близько 3,9 мільйона сонячних мас. Це показує порядок величини; числа не є новим точним виміром Sgr A*.

Для справжньої S2 підганяють складнішу модель: враховують орієнтацію орбіти, відстань до центру та релятивістські ефекти. У роботі GRAVITY 2020 року наведено період близько 16,05 року й масу близько 4,26 мільйона сонячних мас; ці результати не слід приписувати нашій округленій підстановці. GRAVITY: таблиця 1 і параметри моделі.

Чорна діра має межу, з-за якої світло не повертається

Горизонт подій — межа області простору-часу, зсередини якої сигнал уже не може дістатися далекого зовнішнього спостерігача. Це не тверда чорна поверхня, схожа на кору планети. Світло, яке ми реєструємо поруч із чорною дірою, походить від речовини поза горизонтом.

Газ поблизу може нагріватися й випромінювати. Його змінне світіння дає ще один спосіб досліджувати оточення, але яскрава пляма сама по собі не визначає, де проходить горизонт. Потрібно знати, що вимірює інструмент і яка модель пов’язує дані з об’єктом. NASA: горизонт, акреція й тінь.

Порівняйте три ланцюжки доказів нижче. У кожному є власне вимірювання, висновок і межа того, що цей метод може показати.

Три способи дослідити один центр

  1. Рух зір

    Вимірювання
    Положення зір у різні роки та швидкості зі спектрів.
    Висновок
    Маса зосереджена в малій області; форма руху перевіряє модель тяжіння.
    Межа методу
    Орбіти не є зображенням горизонту.

  2. Змінне світіння

    Вимірювання
    Яскравість та спектр речовини поблизу компактного джерела.
    Висновок
    Випромінює навколишня речовина; стан газу змінюється.
    Межа методу
    Спалах сам по собі не є знімком чорної діри.

  3. Міліметрова структура

    Вимірювання
    Інтерферометричні дані EHT на хвилі близько 1,3 мм.
    Висновок
    Реконструкції показують кільцеподібне випромінювання з тьмяним центром, узгоджене з чорною дірою.
    Межа методу
    Кільце й тінь не тотожні горизонту; це не кадр у видимому світлі.

Схематичні значки позначають методи, а не дані. Орбіти, джерело світіння й кільце показано в різних умовних масштабах; розміри та кольори не виміряні. Читайте кожен рядок від вимірювання до обмеження.

Зображення EHT — відновлена структура випромінювання

У травні 2022 року колаборація Event Horizon Telescope оприлюднила перше зображення Sgr A*, отримане з радіоінтерферометричних спостережень квітня 2017 року на хвилі близько 1,3 мм. Телескопи в різних місцях Землі спільно вимірювали сигнал; з цих даних методами реконструкції відновили розподіл яскравості.

У результаті видно світле кільце й тьмянішу центральну область, узгоджені з очікуваним виглядом випромінювання біля чорної діри. Тінь не тотожна самому горизонту: її розмір і вигляд пов’язані також із викривленням шляхів світла та розподілом навколишнього газу. Помаранчевий колір зображення передає радіояскравість, а не видимий колір речовини для людського ока. EHT: первинна робота, розділи III, V та VII.

Газ змінюється швидко, а набір вимірювань має обмеження. Опубліковане зображення об’єднує реконструкції й відображає стійку кільцеподібну ознаку; воно не є миттєвим кадром звичайної камери. Особливо переконливо, що масштаб кільця узгоджується з масою, визначеною за зоряними орбітами зовсім іншим методом. EHT: що саме отримали зі спостережень.

Відгалуження · ГлибшеНеобов’язково · можна пропустити

Навіть орбіта S2 не замикається назавжди

Для ізольованої ньютонівської задачі двох тіл зв’язана еліптична орбіта повторюється. Загальна теорія відносності передбачає невелике зміщення напрямку найближчої точки. Послідовні витки утворюють розетку замість одного нерухомого еліпса.

У 2020 році GRAVITY повідомила про вимірювання такої прецесії S2, узгоджене з релятивістським описом. Тому замкнений еліпс у навчальній схемі — наближення. Це перевірка руху зорі та моделі тяжіння; вона не є фотографією горизонту або спостереженням внутрішності чорної діри. GRAVITY: розділ 3 та висновки.

Центральна чорна діра не є зливом для всієї Галактики

Можна запитати: якщо там така маса, чому всі зорі не падають у центр? Саме тяжіння не забирає в тіла його бокового руху. На відповідній орбіті зоря проходить повз центр, а не летить прямо до нього. Далеко від чорної діри її тяжіння поводиться так само, як тяжіння іншого компактного тіла тієї самої маси: особливого «всмоктування» немає. NASA: чорні діри не є космічними пилососами.

Перевірте пояснення: відео руху S2 чи кільце EHT безпосередньо показує поверхню чорної діри? Жодне. Перше показує рух зорі, з якого виводять властивості центральної маси. Друге відновлює випромінювання навколишньої речовини та тьмяну центральну область. Їхня сила — у взаємній узгодженості різних даних.

Отже, центр Чумацького Шляху — багате середовище зір, газу й пилу, у серці якого міститься надмасивна чорна діра Sgr A*. Ми знаємо про неї завдяки дії на сусідів і світлу зовнішньої речовини. Щоб розібрати, як з орбіти отримують прогноз, можна повернутися до математичного передбачення руху.