25.4: Центр Галактики

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 25.3: Маса Галактики
- 25.5: Зоряні популяції в Галактиці

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть радіо- і рентгенівські спостереження, які вказують на енергетичні явища, що відбуваються в галактичному центрі
Поясніть, що було виявлено завдяки зображенню ближнього інфрачервоного діапазону високої роздільної здатності галактичного центру
Обговоріть, як ці ближні інфрачервоні зображення в поєднанні з третім законом руху Кеплера можуть бути використані для отримання маси центрального гравітаційного об'єкта

На початку цієї глави ми натякнули, що ядро нашої Галактики містить велику концентрацію маси. Насправді зараз у нас є докази того, що сам центр містить чорну діру з масою, еквівалентною 4,6 мільйонам Сонця, і що вся ця маса вписується в сферу, яка має менше діаметра орбіти Меркурія. Такі чорні діри монстрів астрономи називають надмасивними чорними дірами, щоб вказати на те, що маса, яку вони містять, набагато більша, ніж у типової чорної діри, створеної смертю однієї зірки. Дивно, що ми маємо дуже переконливі докази того, що ця чорна діра дійсно існує. Зрештою, згадайте з глави про Чорні діри та Вигнутий простір, що ми не можемо бачити чорну діру безпосередньо, оскільки за визначенням вона не випромінює енергії. І ми навіть не можемо побачити центр Галактики у видимому світлі через поглинання міжзоряним пилом, що лежить між нами і галактичним центром. Світло з центральної області Галактики затьмарюється в трильйон разів ( $10^{12}$ ) всією цією пилом.

На щастя, ми не такі сліпі на інших довжині хвиль. Інфрачервоне та радіовипромінювання, які мають великі довжини хвиль порівняно з розмірами міжзоряних пилових зерен, безперешкодно протікають повз пилових частинок і так досягають наших телескопів майже без затемнення. Насправді дуже яскраве радіоджерело в ядрі Галактики, тепер відомий як Стрілець А* (вимовляється «Стрілець А-зірка» і скорочено Sgr A*), був першим космічним радіоджерелом, виявленим астрономами.

Подорож до центру

Давайте здійснимо подорож до таємничого серця нашої Галактики і подивимося, що там. Малюнок $\PageIndex{1}$ - це радіозображення області близько 1500 світлових років в поперечнику, зосереджене на Стрільці А, яскравому радіоджерелі, яке містить менший Стрілець A*. Значна частина радіовипромінювання надходить від гарячого газу, нагрітого або скупченнями гарячих зірок (самі зірки не виробляють радіовипромінювання і їх не видно на зображенні), або вибуховими хвилями наднових. Більшість порожнистих кіл, видимих на радіозображенні, є залишками наднових. Іншим основним джерелом радіовипромінювання є електрони, що рухаються з великою швидкістю в регіонах з сильними магнітними полями. Яскраві тонкі дуги і «нитки» на малюнку показують нам, де проводиться цей вид випромінювання.

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Радіозображення області галактичного центру. Ця радіокарта центру Галактики (на довжині хвилі 90 сантиметрів) була побудована на основі даних, отриманих за допомогою дуже великого масиву (VLA) радіотелескопів у Сокорро, штат Нью-Мексико. Яскравіші області більш інтенсивні в радіохвиль. Галактичний центр знаходиться всередині області з маркуванням Стрілець А. Стрілець В1 і В2 є областями активного зореутворення. Видно багато ниток або ниткоподібні особливості, а також ряд оболонок (маркованих SNR), які є залишками наднових. Масштабна смуга внизу ліворуч становить близько 240 світлових років. Зверніть увагу, що радіоастрономи також дають химерні назви тварин деяким структурам, так само, як туманності видимого світла іноді дають назви тварин, яких вони нагадують.

Тепер давайте зосередимося на центральній області, використовуючи більш енергійну форму електромагнітного випромінювання. $\PageIndex{2}$ На малюнку показано рентгенівське випромінювання з меншої області шириною 400 світлових років та 900 світлових років у центрі Стрільця A*. На цій картині видно сотні гарячих білих карликів, нейтронних зірок і зоряних чорних дір з аккреційними дисками, що світяться рентгенівськими променями. Дифузна серпанок на знімку - це викид газу, який лежить серед зірок і знаходиться при температурі 10 млн К.

Наближаючись до центру Галактики, ми знаходимо надмасивну чорну діру Стрільця А*. Існують також тисячі зірок протягом декількох світловихроків Стрільця А*. Більшість з них - старі, червонуваті зірки основної послідовності. Але є також близько сотні гарячих зірок OB, які, мабуть, сформувалися протягом останніх кількох мільйонів років. Поки немає хорошого пояснення того, як зірки могли утворитися нещодавно так близько до надмасивної чорної діри. Можливо, вони утворилися в щільному скупченні зірок, яке спочатку знаходилося на більшій відстані від чорної діри і згодом перекочувало ближче.

В даний час в галактичному центрі немає зіркоутворення, але є багато пилу і молекулярного газу, який обертається навколо чорної діри, разом з деякими іонізованими газовими стримерами, які нагріваються гарячими зірками. Малюнок $\PageIndex{3}$ - це радіокарта, яка показує ці газові стримери.

У пошуках серця Галактики

Якраз що таке Стрілець А*, який лежить прямо в центрі нашої Галактики? Щоб встановити, що там дійсно є чорна діра, ми повинні показати, що є дуже велика кількість маси, забита в дуже крихітний обсяг. Як ми бачили в «Чорних дірах» та «Вигнутому просторі», довести, що чорна діра існує, є проблемою, оскільки сама чорна діра не випромінює випромінювання. Що астрономи повинні зробити, це довести, що чорна діра є єдиним можливим поясненням наших спостережень - що невелика область містить набагато більше маси, ніж можна було б пояснити дуже щільним скупченням зірок або чимось іншим із звичайної матерії.

Якщо поставити деякі цифри при цій дискусії, радіус горизонту подій галактичної чорної діри масою близько 4 мільйонів $M_{\text{Sun}}$ був би лише приблизно в 17 разів більше розміру Сонця - еквівалент однієї червоної гігантської зірки. Відповідна щільність в межах цієї області простору була б набагато вищою, ніж у будь-якого зоряного скупчення або будь-якого іншого звичайного астрономічного об'єкта. Тому треба виміряти як діаметр Стрільця А*, так і його масу. Як радіо, так і інфрачервоні спостереження потрібні, щоб дати нам необхідні докази.

Для початку розглянемо, як можна виміряти масу. Якщо ми обнулимо внутрішні кілька світлових днів Галактики з інфрачервоним телескопом, оснащеним адаптивною оптикою, ми побачимо область, переповнену окремими зірками (рис. $\PageIndex{4}$ ). Ці зірки спостерігаються вже майже два десятиліття, і астрономи виявили їх швидкі орбітальні рухи навколо самого центру Галактики.

Ознайомтеся з анімованою версією $\PageIndex{4}$ Figure, що показує рух зірок протягом багатьох років.

Якщо поєднати спостереження за їх періодами і розміром їх орбіт з третім законом Кеплера, можна оцінити масу об'єкта, який утримує їх на своїх орбітах. Одна з зірок спостерігалася за її повною орбітою 15,6 років. Його найближчий підхід приймає його на відстань лише 124 AU або близько 17 світлових годин від чорної діри. Ця орбіта в поєднанні зі спостереженнями інших зірок, близьких до галактичного центру, вказує на те, що маса 4,6 мільйона М Сонця повинна бути зосереджена всередині орбіти - тобто протягом 17 світлових годин від центру Галактики.

Ще більш жорсткі обмеження на розмір концентрації маси в центрі Галактики походять від радіоастрономії, яка надала першу підказку про те, що чорна діра може лежати в центрі Галактики. Оскільки матерія спіралі всередину до горизонту подій чорної діри, вона нагрівається в кружному аккреційному диску і виробляє радіовипромінювання. (Такі аккреційні диски пояснювалися в Чорні діри та Вигнутий простір.) Вимірювання розміру аккреційного диска з дуже довгим базовим масивом, що забезпечує дуже високий просторовий дозвіл, показують, що діаметр радіоджерела Стрілець А* не більше приблизно 0,3 а.о., або приблизно розмір орбіти Меркурія. (У світлових одиницях це всього 2,5 світлових хвилин!)

Таким чином, спостереження показують, що 4,6 мільйона сонячних мас забиті в об'єм, який має діаметр, який не перевищує орбіту Меркурія. Якби це було щось інше, ніж надмасивна чорна діра - зірки з низькою масою, які випромінюють дуже мало світла або нейтронних зірок або дуже великої кількості дрібних чорних дір - розрахунки показують, що ці об'єкти були б настільки щільно упаковані, що вони зруйнувалися б до однієї чорної діри протягом ста тисяч років. Це дуже короткий час у порівнянні з віком Галактики, яка, ймовірно, почала формуватися більше 13 мільярдів років тому. Оскільки здається дуже малоймовірним, що ми зловили б таке складне скупчення об'єктів безпосередньо перед тим, як воно впало, докази надмасивної чорної діри в центрі Галактики справді переконливі.

Пошук джерела

Звідки взялася наша галактична чорна діра? Походження надмасивних чорних дір в таких галактиках, як наша, в даний час є активною сферою досліджень. Одна з можливостей полягає в тому, що велика хмара газу поблизу центру Чумацького Шляху обрушилася безпосередньо, утворивши чорну діру. Оскільки ми знаходимо великі чорні діри в центрах більшості інших великих галактик (див. Активні галактики, Квазари та Надмасивні Чорні діри) - навіть дуже молоді - цей колапс, ймовірно, мав би місце, коли Чумацький Шлях тільки починав формуватися. Початкова маса цієї чорної діри могла становити лише кілька десятків сонячних мас. Інший спосіб, який можна було б почати, полягає в тому, що масивна зірка могла вибухнути, щоб залишити після себе насіннєву чорну діру, або щільне скупчення зірок могло впасти в чорну діру.

Після того, як чорна діра існує в центрі галактики, вона може рости протягом наступних кількох мільярдів років, пожираючи сусідні зірки та газові хмари в переповнених центральних регіонах. Він також може рости шляхом злиття з іншими чорними дірами.

Виявляється, монстр чорної діри в центрі нашої Галактики ще не закінчив «поїдати». В даний час ми спостерігаємо хмари газу і пилу, що потрапляють в галактичний центр зі швидкістю близько 1 $M_{\text{Sun}}$ на тисячу років. Зірки також знаходяться в меню чорної діри. Щільність зірок біля галактичного центру досить висока, щоб ми очікували, що зірка пройде біля чорної діри і буде проковтнута нею кожні десять тисяч років або близько того. У міру того, як це відбувається, частина енергії засипання виділяється у вигляді випромінювання. В результаті центр Галактики може спалахнути і навіть ненадовго затьмарити всі зірки Чумацького Шляху. Інші об'єкти також можуть ризикувати занадто близько до чорної діри і бути втягнутими. Наскільки велика спалах, яку ми спостерігаємо, залежатиме від маси об'єкта, що потрапляє всередину.

У 2013 році рентгенівський супутник Chandra виявив спалах з центру нашої Галактики, який був в 400 разів яскравішим, ніж звичайний вихід від Стрільця А*. Через рік був виявлений і другий спалах, лише наполовину яскравий. Це набагато менше енергії, ніж ковтання цілої зірки виробляло б. Існує дві теорії обліку спалахів. По-перше, астероїд, можливо, ризикнув занадто близько до чорної діри і нагрівся до дуже високої температури, перш ніж його проковтнути. Крім того, спалахи могли б включати взаємодію магнітних полів поблизу галактичного центру в процесі, подібному до описаного для сонячних спалахів (див. Сонце: Сад-Різноманітна зірка). Астрономи продовжують стежити за галактичним центром на предмет спалахів або іншої активності. Хоча монстр в центрі Галактики недостатньо близько до нас, щоб представляти будь-яку небезпеку, ми все одно хочемо стежити за ним.

АНДРЕА ГЕЗ

Любитель головоломок, Андреа Гез переслідує одну з найбільших загадок в астрономії: яка дивна сутність ховається в центрі нашої Галактики Чумацького Шляху? Будучи дитиною, яка живе в Чикаго наприкінці 1960-х, Андреа Гез (Рисунок $\PageIndex{5}$ ) була зачарована посадками на Місяці Аполлон. Але її також тягнуло до балету і до вирішення всіляких головоломок. До середньої школи вона втратила балетну помилку на користь конкурувати в хокеї на траві, грати на флейті та копати глибше в академіків. Її студентські роки в MIT були перемежовані низкою змін у її спеціальності - від математики до хімії, машинобудування, аерокосмічної техніки та, нарешті, фізики - де вона відчувала, що її варіанти були найбільш відкритими. Будучи спеціалістом фізики, вона брала участь в астрономічних дослідженнях під керівництвом одного з її інструкторів. Після того, як вона зробила деякі фактичні спостереження в Національній обсерваторії Кітт-Пік в Арізоні, а пізніше в Межамериканській обсерваторії Серро Тололо в Чилі, Гез знайшов своє покликання.

Переслідуючи аспірантуру в Каліфорнійському технічному університеті, вона застрягла з фізикою, але орієнтувала свої зусилля на спостережну астрофізику, область, де Калтех мав доступ до передових об'єктів. Хоча спочатку приваблював вивчення чорних дір, які підозрювали в проживанні всередині найбільш масивних галактик, Гез закінчив витрачати більшу частину своєї аспірантури, а пізніше постдокторські дослідження в університеті Арізони, вивчаючи зірки у формуванні. Беручи дуже високу роздільну здатність (детальне) зображення областей, де народжуються нові зірки, вона виявила, що більшість зірок утворюються як члени бінарних систем. У міру вдосконалення технологій вона змогла відстежувати орбіти, танцювані цими зоряними парами, і тим самим могла встановити їх відповідні маси.

Зараз професор астрономії в UCLA, Гез з тих пір використовував подібні методи візуалізації з високою роздільною здатністю для вивчення орбіт зірок у самому внутрішньому ядрі Чумацького Шляху. Ці орбіти займають роки, щоб окреслити, тому Гез та її наукова команда зареєстрували понад 20 років отримання інфрачервоних зображень із надроздільною здатністю за допомогою гігантських телескопів Кека на Гаваях. Виходячи з отриманих зоряних орбіт, Група галактичних центрів UCLA оселилася (як ми бачили) на гравітаційному рішенні, яке вимагає наявності надмасивної чорної діри з масою, еквівалентною 4,6 мільйонам Сонця - все це розташоване в просторі, меншому за те, що займає наша Сонячна система. Досягнення Геза були визнані однією з «геніальних» нагород Фонду Макартура. Зовсім недавно її команда виявила світяться хмари теплого іонізованого газу, які співпрацюють з зірками, але можуть бути більш вразливими до руйнівних ефектів центральної чорної діри. Спостерігаючи за цими хмарами, команда сподівається краще зрозуміти еволюцію надмасивних чорних дір та їх найближчих околиць. Вони також сподіваються перевірити теорію загальної відносності Ейнштейна, ретельно вивчаючи орбіти зірок, які знаходяться найближче до інтенсивно гравітаційної чорної діри.

Окрім своєї новаторської роботи в якості астронома, Гез конкурує як майстер плавець, насолоджується сімейним життям як мати двох дітей та активно заохочує інших жінок до наукової кар'єри.

Резюме

Надмасивна чорна діра розташована в центрі Галактики. Вимірювання швидкостей зірок, розташованих протягом декількох світлових днів від центру, показують, що маса всередині їх орбіт навколо центру становить близько 4,6 млн $M_{\text{Sun}}$ . Радіоспостереження показують, що ця маса зосереджена в обсязі з діаметром, подібним до орбіти Меркурія. Щільність концентрації цієї речовини перевищує концентрацію найщільніших відомих зоряних скупчень в рази майже в мільйон разів. Єдиний відомий об'єкт з такою високою щільністю і загальною масою - чорна діра.

Глосарій

надмасивна чорна діра: об'єкт у центрі більшості великих галактик, настільки масивний і компактний, що світло не може втекти з нього; надмасивна чорна діра Чумацького Шляху містить 4,6 мільйона мас Сонця