Что могут рассказать гиперскоростные звезды о черной дыре Млечного Пути?


Материалы по теме

00:08 — 12 января 2016

Вселенский компьютер

Стивен Хокинг раскрыл тайну черных дыр
Первые доказательства существования темной материи появились в 1932 году, когда нидерландский астроном Ян Оорт разработал первую современную теорию звездного движения. Изучив перемещение расположенных в окрестностях Солнца светил, он пришел к выводу, что должна быть невидимая материя. Ее сегодня и называют темной.

Последующие наблюдения за перемещением облаков нейтрального водорода, проведенные с гораздо большей точностью, подтвердили выводы Оорта — скорость вращения объектов с увеличением расстояния от центра Млечного Пути не снижается, а остается примерно постоянной. Поскольку экспериментальных оснований для пересмотра общей теории относительности не нашлось, предполагается, что на движение галактик и облаков влияет темная материя.

В Млечном Пути большинство звезд движутся по примерно круговым орбитам внутри диска радиусом 60 тысяч световых лет. У галактики также есть центральная эллиптическая выпуклость радиусом около шести тысяч световых лет с плотным расположением звезд и разреженная внешняя область, называемая гало и простирающаяся на расстояние около 800 тысяч световых лет от центра Млечного Пути.

В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля). Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Массы обычных черных дыр больше солнечных в несколько раз, тогда как сверхмассивные черные дыры от ста тысяч раз тяжелее Солнца. В большинстве активных центров крупных галактик расположены такие объекты.

Из этой картины выпадает новый класс астрономических объектов — так называемые гиперскоростные звезды, способные мигрировать от центра Галактики к ее внешнему гало. Первый такой объект был обнаружен десять лет назад астрономами Уорреном Брауном, Маргарет Геллер, Скоттом Кеньоном и Майклом Курцем в Смитсоновской астрофизической обсерватории в США. Необычная звезда на расстоянии 300 тысяч световых лет от центра Млечного Пути удалялась от Земли со скоростью 850 километров в секунду, что более чем в два раза превышает четвертую космическую скорость.

Рождение сверхновой звезды или взаимодействие с другим светилом не объясняет столь высокую скорость из-за малой массы объектов. Тут понадобились бы тела примерно в сто тысяч раз тяжелее Солнца. В Млечном Пути есть как минимум один такой объект — сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Изучение гиперскоростных звезд, таким образом, позволит прояснить природу сверхмассивной черной дыры, а траектория их движения поможет понять распределение темной материи в галактике.

Впервые идею о том, что сверхмассивная черная дыра может выбросить звезду из центра галактики, выдвинул в 1988 году физик-теоретик Джек Хиллз. Он показал, что скорость таких объектов достигает тысячи километров в секунду, и предложил этому физическое объяснение.

По Хиллзу, первоначально была двойная звезда. По классической механике, орбитальное движение двух тел в случае отсутствия возмущения будет устойчивым. Если в эту систему внести третье тело (возмущение), то устойчивость нарушается и внутри системы происходит перераспределение энергии. Тогда одно из тел покидает трехсоставную систему. Физически в качестве первоначальной двойной системы выступает двойная звезда, третьего (возмущающего) тела — сверхмассивная черная дыра. Гиперскоростная звезда — это тело, покидающее систему.

Механизм образования гиперскоростной звезды

Механизм образования гиперскоростной звезды

Изображение: scitation.aip.org

Столкновения двойных звезд со сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути, по оценкам Хиллза, происходят каждые несколько тысяч лет, а перемещающаяся со скоростью тысяча километров в секунду гиперскоростная звезда проходит 33 тысячи световых лет за десять миллионов лет. Значит, к настоящему времени на таком расстоянии от центра Галактики должно существовать несколько тысяч гиперскоростных звезд.

В романе «Вечный свет» фантаста Пола Маколи, опубликованном в 1993 году, гиперскоростная звезда пролетела мимо Земли и принесла с собой недружелюбных инопланетян. В конце XX века коллеги Хиллза предложили механизм образования гиперскоростных звезд в результате взаимодействия с двойной сверхмассивной черной дырой. Наконец, в 2005 году первый такой объект был открыт.

Компоненты бывших двойных гиперскоростных звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути

Компоненты бывших двойных гиперскоростных звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути

Изображение: UCLA galactic center group / W. M. Keck Observatory laser team

1/2

Как показали наблюдения, на расстоянии светового года от центра Галактики на короткоживущих орбитах находятся несколько сотен светил, на расстоянии ста световых лет — светила и газовые облака, которые в сумме тяжелее Солнца в миллион раз. В пользу того, что в центре Млечного Пути есть сверхмассивная черная дыра тяжелее Солнца в четыре миллиона раз, указывают два главных факта. Во-первых, радиоисточник Стрелец A* перемещается с нулевой скоростью относительно вращающихся вокруг него звезд. Во-вторых, скорости движения наиболее близких светил составляют несколько процентов от скорости света в вакууме, равной 300 тысячам километров в секунду.

Светила, вращающиеся вокруг центра Млечного Пути на расстоянии светового года, возникли, вероятнее всего, из газопылевого (аккреционного) диска сверхмассивной черной дыры. Радиус внутреннего края этого диска — 0,1 светового года. Внутри него выявлено около 20 светил с крайне неустойчивыми орбитами. Наиболее вероятное объяснение их появления вблизи сверхмассивной черной дыры — механизм Хиллза, то есть это остатки двойных звезд, чьи визави превратились в гиперскоростные светила.

Поэтому частота рождения гиперскоростных звезд связана с ростом сверхмассивной черной дыры и приливным взаимодействием в центре Галактики. Для сверхмассивной черной дыры орбитальная скорость двойной звезды достигает десяти тысяч километров в секунду. Скорость обращения светил вокруг общего центра масс в двойной системе — сто километров в секунду. После взаимодействия со сверхмассивной черной дырой и развала двойной системы одно из светил выбрасывается от черной дыры со скоростью около тысячи километров в секунду.

Расположение на небе двойной гиперскоростной звезды HE 0437-5439

Расположение на небе двойной гиперскоростной звезды HE 0437-5439

Изображение: NASA / ESA / G. Bacon

1/2

Одиночная звезда вблизи сверхмассивной черной дыры претерпевает приливное разрушение и не превращается в гиперскоростную. Однако если звезда налетает на пару сверхмассивных черных дыр, она превращается в гиперскоростную и движется в строго определенном направлении, определяемом правилом винта. Для более точной оценки скоростей звезд нужно знать физические характеристики двойной системы (размеров и массы ее компонентов).

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: