» » Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд

Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд


Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд

Рис. 1. Орбитальные параметры известных S-звезд. По горизонтальной оси отложены эксцентриситеты их орбит, по вертикальной оси — большие полуоси звездных орбит в миллипарсеках (один миллипарсек равен 206 астрономическим единицам). Черным и красным цветами отмечены звезды, входящие в состав двух ортогональных дисков, в которые попадают известные S-звезды. Новооткрытым звездам соответствуют сплошные символы (кружочки или звездочки), открытым ранее звездам — символы без центральной закраски. Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal Letters


Американские астрофизики Джиакомо Фраджионе и Абрахам Лёб опубликовали статью, в которой они привели новую оценку величины углового момента сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути. Они использовали данные об орбитах так называемых S-звезд — семейства звезд, обращающихся в непосредственной близости от черной дыры. Новая оценка гласит, что угловой момент черной дыры скорее всего не превышает 10% от максимально возможного по нынешним представлениям значения. По занятному совпадению результат Фраджионе и Лёба стал достоянием гласности практически одновременно с присуждением Нобелевской премии по физике Райнхарду Генцелю и Андрее Гез, которые руководили многолетними наблюдениями движения звезд в окрестности дыры и на их основе пришли к заключению, что ее масса примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца.

Существование черной дыры-миллионника в ядре нашей Галактики уже давно не вызывает сомнений (а только что оно было подтверждено и Нобелевской ассамблеей Академии наук Швеции, см. новость Нобелевская премия по физике — 2020, «Элементы», 13.10.2020). Ее отождествляют с компактным радиоисточником Стрелец A* (в сокращенной форме часто пишут Sgr A* по латинскому наименованию созвездия Стрельца, в котором он находится, — Sagittarius). Масса этой черной дыры вполне надежно измерена на базе информации о десятках звезд, обращающихся вокруг дыры подобно тому, как земля и прочие планеты обращаются вокруг Солнца. Однако этого нельзя сказать об ее угловом моменте, который пока что практически неизвестен. Это тем более обидно, что в других данных о самой дыре наука не нуждается.

На чем основано столь странное утверждение? Согласно общей теории относительности, любая черная дыра вне зависимости от ее происхождения полностью описывается всего лишь тремя параметрами: массой, угловым моментом и электрическим зарядом. Причем последним можно пренебречь, так как в космическом пространстве заряд дыры был был быстро погашен из-за аккреции заряженных частиц противоположного знака из окружающего пространства. Поэтому астрономы с полным основанием приписывают реально существующим черным дырам нулевой заряд. Это, конечно, относится и к нашей «домашней» дыре Sgr A*. Так что знание одной лишь ее массы составляет только половину физически релевантной информации об этом космическом объекте.

Еще немного вспомогательных сведений. Теория утверждает, что масса черной дыры в принципе может быть сколь угодно большой, что полностью подтверждается наблюдениями. Астрономам известны как «скромные» дыры звездных масштабов, так и дыры-гиганты и сверхгиганты, которые тянут на миллионы, миллиарды и даже десятки миллиардов масс Солнца. А вот угловой момент дыры не может превышать верхний предел, который полностью определяется ее массой. Он задается простой формулой: Jmax = GM2/c, где G — постоянная тяготения, М — масса дыры, а c, как принято, скорость света. Дыры, у которых величина углового момента близка к этому пределу, называются экстремальными. Интересно, что именно таковы многие сверхмассивные дыры в центрах галактик, которые за миллиарды лет были сильно раскручены потоками вещества, поставляемого их аккреционными дисками.

Конечно, угловой момент дыры Стрелец A* не раз пытались измерить, причем разными способами. Однако имеющиеся оценки сильно расходятся. Например, согласно опубликованным в 2016 году данным, основанным на наблюдениях с помощью радиоинтерферометров со сверхдлинной базой, величина момента не превышает 40% от максимума (см. A. Broderick et al., 2016. Modeling Seven Years of Event Horizon Telescope Observations with Radiatively Inefficient Accretion Flow Models). Другая группа астрофизиков, представившая свои результаты семью годами ранее, пришла к выводу, что величина момента может доходить до 90% максимальной (M. Moscibrodzka et al., 2009. Radiative Models of Sgr A* from GRMHD Simulations), то есть «наша» черная дыра входит в семейство экстремалов. Примеры этого рода можно продолжить.

В недавнем номере The Astrophysical Journal Letters американские астрофизики Джакомо Фраджионе (Giacomo Fragione) и Абрахам Лёб (Abraham (Avi) Loeb) оценили массу дыры на основе тех же фактических данных, что использовали Генцель и Гез, — точнее, несколько расширенных. Новые нобелисты занимались кинематикой звездных спутников черной дыры, которые принято объединять в так называемый S-кластер. Сейчас уже известны четыре десятка этих S-звезд, некоторые из которых были обнаружены лишь в последние годы и потому не учтены в наблюдениях, удостоенных Нобелевской премии. Одна из этих новооткрытых звезд, S62, совершает полный оборот вокруг дыры всего за 9,9 года (F. Peissker et al., 2020. S62 on a 9.9 yr Orbit around Sgr A*), — это меньше, чем период обращения Юпитера вокруг Солнца, который составляет чуть меньше 12 лет. Ее масса всего в 6,1 раза превышает солнечную (массы «старых» S-звезд составляют от 8 до 14 солнечных масс). Кроме того, в последние годы были обнаружены пять тусклых S-звезд с массами в 2–3 солнечные массы (F. Peissker et al., 2020. S62 and S4711: Indications of a Population of Faint Fast-moving Stars inside the S2 Orbit—S4711 on a 7.6 yr Orbit around Sgr A*). Так что семейство известных звезд S-кластера обогатилось не только количественно, но и качественно.

Недавно было показано, что эллиптические орбиты S-звезд сгруппированы в двух плоскостях, каждая из которых видна с Земли почти что «с ребра» (B. Ali et al., 2020. Kinematic Structure of the Galactic Center S Cluster). Обе плоскости наклонены к главной плоскости Галактики приблизительно на 45 градусов, причем в разные стороны — и, следовательно, почти ортогональны друг к другу. Данные об этих группировках графически представлены на рис. 1.

Эту информацию Фраджионе и Лёб использовали для приблизительной оценки момента вращения черной дыры Стрелец A*. В ее гравитационном поле орбитальные угловые моменты звезд-спутников должны прецессировать, причем скорость прецессии пропорциональна угловому моменту дыры. Физически это означает, что вращающаяся дыра увлекает за собой окружающее пространство. Такое увлечение (так называемый эффект Лензе — Тирринга) меняет кинематические параметры ближайших к дыре звезд. Постепенно эта прецессия должна так переориентировать плоскости обеих звездных группировок (звездных дисков, как их называют авторы), что те совместятся с экваториальной плоскостью дыры и зафиксируются в этой позиции. Чем быстрее вращается сама дыра (то есть, чем больше ее угловой момент), тем меньше требуется времени для полной переориентации орбит звезд S-кластера. При этом, разумеется, скорость поворота орбитальной плоскости каждой отдельной звезды зависит как от ее вытянутости (иначе говоря, эксцентриситета), так и от величины большой полуоси орбиты, которая служит мерой максимального удаления звезды от дыры. Ближайшие звезды должны занять свои финальные позиции быстрее остальных, поскольку они вблизи дыры движутся с субсветовыми скоростями и поэтому сильнее «чувствуют» такой чисто релятивистский эффект, как увлечение пространства.

Эти положения Фраджионе и Лёб положили в основу своей оценки «дырочного» углового момента. Коль скоро звездные диски продолжают пребывать в различных (сейчас даже взаимно-ортогональных) положениях, по крайней мере один из них (а скорее — оба) еще не успел совместиться с экваториальной плоскостью Стрельца A*. Это означает, что период прецессии как минимум одного диска заметно превышает типичную продолжительность жизни его звездного населения. Самые массивные звезды в обоих дисках сжигают свое водородное топливо всего за несколько миллионов лет, а самые легкие могут прожить где-то в сто раз дольше. На основе этих соображений авторы пришли к выводу, что величина углового момента дыры скорее всего не превышает одной десятой максимума. Этот вывод иллюстрируется четырьмя диаграммами, представленными на рис. 2.


Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд

Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд

Рис. 2. Распределения орбит S-звезд, смоделированные для четырех разных значений углового момента черной дыры Sgr A*. По горизонтальной оси отложены большие полуоси звездных орбит в миллипарсеках, по вертикальной — характерные времена прецессии. Смысл диаграмм объяснен в тексте. Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal Letters


Приглядимся к этим картинкам. Левый верхний квадрат соответствует предположению, что угловой момент Стрельца A* равен одной тысячной максимального значения. Хорошо видно, что почти все звезды лежат выше зеленой полосы, ограничивающей их времена жизни. Отсюда следует, что у этих S-звезд просто не было времени для завершения прецессии и стабилизации орбитальных плоскостей в экваториальной плоскости дыры. Для правого верхнего квадрата угловой момент дыры равен одному проценту от максимума, и ситуация там в целом аналогична. Левый нижний квадрат, помеченный десятипроцентным значением углового момента, тоже имеет в зеленой полосе лишь немного звезд. Наконец, последний (правый нижний) квадрат, описывающий ситуацию для дыры-экстремала с максимально возможным значением углового момента, содержит в этой полосе вполне достаточно звезд из обоих дисков. Эти S-звезды имели достаточно времени, чтобы сгруппироваться в экваториальной плоскости дыры, чего не показывают наблюдения. Поэтому Фраджионе и Лёб полагают, что угловой момент дыры вряд ли превышает одну десятую абсолютного максимума.

Конечно, их оценка вовсе не претендует на точность, однако представляет несомненный интерес. А что будет дальше — время покажет. Можно не сомневаться, что дальнейшие исследования дыры и ее космического окружения принесут немало сюрпризов.

Источник: Giacomo Fragione and Abraham Loeb. An Upper Limit on the Spin of SgrA* Based on Stellar Orbits in Its Vicinity // The Astrophysical Journal Letters. 2020. DOI: 10.3847/2041-8213/abb9b4.

Алексей Левин


22 октябрь 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Нобелевская премия по физике — 2020

Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2020 год стали британец Роджер Пенроуз, немец Райнхард Генцель и американка Андреа Гез. Как сказано в официальной формулировке, Пенроуз награжден «за

Зафиксирован гравитационно-волновой след от рождения черной дыры промежуточной массы

21 мая 2019 года детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo зарегистрировали сигнал от очередного слияния пары черных дыр. Оказалось, что это слияние сильно выбивается из общего ряда. Во-первых, оно

По мнению физиков существует два способа путешествий во времени

Помните как профессор Эммет Браун в легендарном "Назад в будущее” собирал Делориан (машину для путешествий во времени)? К сожалению, приключения всеми любимых героев в прошлом так и останутся

В «спирали смерти» обнаружены сверхмассивные черные дыры

Группа американских астрономов обнаружила две гигантские черные дыры в 2,5 млн световых лет от Земли. Они постоянно сближаются друг с другом. Об этом сообщает CNET....
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Ответ на вопрос – зачем в древности был нужен и как использовался «Римский додекаэдр».Америка-2020 как АтлантидаВ группе Дятлова их было 12 по АПВЕРГИДуАмериканская компания Pfizer объявила о создании рабочей вакцины от коронавирусаФизики говорят, что Вселенная наполнена загадочной субстанцией, называемой «квинтэссенцией»Пирамида Хеопса состоит из трёх пирамидНастоящий Монте-КристоХаббл заметил тень от сверхмассивной черной дыры в галактике IC 5063