Залишиться лише один. Як надмасивна чорна діра у центрі нашої Галактики знищила свою сусідку та приховала це на 10 мільйонів років

Надмасивна чорна діра у центрі нашої Галактики — Стрілець А* — довгий час вважалася самотньою: її оточують лише нечисленні зорі, пил та газ. Утім, схоже, що так було не завжди. Астрономи запідозрили, що десять мільйонів років тому у Стрільця А* з'явилася сусідка — така сама чорна діра, але набагато менша за розмірами. Вона прибула із сусідньої галактики та деякий час мирно співіснувала з нашою чорною дірою. Допоки не була з'їдена.

Єдиним слідом, який їй вдалося лишити, стали траєкторії деяких зірок, що живуть у центрі Чумацького Шляху. Про те, як ці сліди вдалося знайти, звідки ця чорна діра взялася, і чому їй не вдалося вижити розповідає астрофізикиня Олександра Іванова.

Зображення тіні Стрільця А*, яке отримав Телескоп горизонту подій, підтвердивши існування чорної діри. EHT Collaboration / Wikimedia Commons

Цей матеріал став доступний завдяки нашим спонсорам — і вони отримали його ще в липні. Ставайте нашими спонсорами і отримуйте всі бонуси підтримки!

Монстр у серці Галактики

Стрілець А* знаходиться за 27 тисяч світлових років від нас у самому центрі Чумацького Шляху. І як і чорні діри в центрах інших галактик, Стрілець А* також належить до надмасивних — його маса порівняна з масою чотирьох мільйонів Сонць.

І хоча розмір нашої чорної діри не перевищує розмір орбіти Меркурія, вона активно впливає на еволюцію усієї галактики, контролюючи рух десятків мільйонів зір, газових хмар, де вони народжуються, і пилових скупчень. Водночас народження і перетворення Стрільця А* на таку чорну діру, якою астрономи знають її сьогодні, лишається загадкою.

Відомо, що народився Стрілець А* дев'ять мільярдів років тому, тобто задовго після появи Чумацького Шляху. Але як наша Галактика на самому початку була невеликим скупченням зір та газу, так і Стрілець A* колись мав меншу масу й зростав разом із нею. Підказки до того, як це відбувалося дали, наприклад, зображення тіні Стрільця А*, які отримав Телескоп горизонту подій.

Але у минулого нашої чорної діри були й інші свідки — зорі, що на шаленій швидкості залишають центр Галактики. Саме на них звернули увагу астрономи Пекінського університету.

Художнє зображення гіпершвидкісних зір, що покидають центр Чумацького Шляху. ESA

Сліди у швидкісних зорях

Зорі, які вивчали астрономи, називають ще гіпершвидкісними зірками — вони долають міжзоряний простір Чумацького Шляху на швидкості у понад 700 кілометрів на годину. Цього достатньо, щоб ці світила могли подолати гравітаційне тяжіння нашої Галактики та назавжди покинули її межі.

А сама їхня поява у галактиці спричинена саме Стрільцем А*. Коли надто близько до нього наближається пара пов'язаних між собою зірок, тобто подвійна зоряна система, гравітація Стрільця А* розриває її. Одне світило назавжди залишається поруч з чорною дірою, а друге — отримує гравітаційний імпульс, який дозволяє набути таку високу швидкість.

За оцінками астрономів, у центрі Чумацького Шляху, де і живе Стрілець А*, подібних подвійних систем має існувати більше, ніж деінде у галактиці. Тож і кількість гіпершвидкісних зірок мала б бути значною, адже цим системам було б важко уникнути взаємодії з чорною дірою. А за тим, яка кількість цих зірок утворилася, і яку швидкість надав їм Стрілець А*, науковці могли б відтворити деталі про саму чорну діру. Зокрема, наскільки активно вона взаємодіє з оточенням, як часто зоряні системи наближаються до неї на небезпечну відстань, а також перевірити, чи відповідає динаміка центру Галактики очікуванням, отриманим з моделей її еволюції.

Траєкторії гіпершвидкісних зір, що оточують Стрільця А*. ESO

Утім, замість того, щоб знайти велику кількість старих гіпершвидкісних зір, навколо Стрільця А* астрономи виявили зовсім іншу картину.

За спостереженнями вдалося ідентифікувати лише близько двох десятків гіпершвидкісних зірок пізнього B-типу, які залишили центр Галактики за останні кілька сотень мільйонів років. Їхні властивості свідчать, що ці зорі сформувалися упродовж останніх 600 мільйонів років і походять з молодих популяцій зір, які утворюються поблизу Стрільця A*. Крім того, вони виявилися не лише малочисельними, а і повільними. Жодна з виявлених зір не перевищує швидкості 700 кілометрів на секунду, тоді як теоретичні моделі передбачали, що щонайменше 40–60 відсотків таких зір мали б розганятися до ще більших значень. Пояснення цьому астрономи вирішили пошукати у минулому Чумацького Шляху.

Привиди загиблих галактик

Наша Галактика ніколи не була самотньою: протягом своєї історії вона багато разів взаємодіяла з меншими сусідніми галактиками. Деякі з них залишилися нашими супутниками, інші — розчинилися у Чумацькому Шляху. За сучасними оцінками, лише за останні 10 мільярдів років Чумацький Шлях поглинув щонайменше дев’ять карликових галактик. І такі поглинання принесли йому нові зірки, газ, і навіть золото.

Одним із наймасштабніших в історії Чумацького Шляху злиттів було поглинання галактики, яку нині називають Gaia-Sausage-Enceladus. Саме їй приписують формування внутрішнього гало Чумацького Шляху — області галактики, що складає основну її масу. Рештки Gaia-Sausage-Enceladus у Чумацькому Шляху досі можна спостерігати у вигляді зірок, які виявила за їхніми незвичними характеристиками обсерваторія «Гая».

Візуалізація моменту зіткнення Чумацького Шляху з Gaia-Sausage-Enceladus. Instituto de Astrofísica de Canarias

Але як вважають автори нового дослідження, ця галактика принесла у Чумацький Шлях не лише свої зірки, а і чорну діру. Адже за оцінками астрономів, майже у кожної галактики Всесвіту у центрі має міститися своя чорна діра, і у карликових галактиках, як Gaia-Sausage-Enceladus, вона може мати масу від тисячі до мільйона мас Сонця.

Дірява дружба

Як вважають науковці, разом з Gaia-Sausage-Enceladus від 50 до 250 мільйонів років тому у Чумацький Шлях потрапила чорна діра проміжної маси — приблизно у 15 тисяч разів масивніша за Сонце. Опинившись поруч зі Стрільцем A*, вони утворили подвійну систему, тобто тимчасово оберталися навколо спільного центру мас. За розрахунками, це тривало кілька сотень мільйонів років, допоки гравітаційний зв'язок пари не розірвався і Стрілець А* не отримав можливість поглинути нову «партнерку» та наростити за її рахунок масу.

Художня ілюстрація двох чорних дір, які обертаються одна навколо одної і зрештою злиються. ESA

Імовірно, так відбувалося і з іншими чорними дірами галактик, які переживали злиття із Чумацьким Шляхом. Однак, їхні сліди науковцям ще належить знайти.

Що лишила по собі з'їдена чорна діра

Сусідство, хоч і тимчасове, з іншою чорною дірою не минуло для Стрільця А* безслідно. Як вказало науковцям комп'ютерне моделювання, присутність другої чорної діри у центрі Галактики суттєво впливала на нього та на динаміку навколишніх зір. Зокрема гравітаційний вплив цієї «партнерки» кардинально змінював траєкторії зір у центральній частині Чумацького Шляху, не даючи їм наближатися до Стрільця А* достатньо, щоб отримати потрібний для прискорення імпульс. За оцінками, їй вдавалося відхиляти зорі, які наближалися на відстань приблизно від 100 до 250 астрономічних одиниць, фактично очищуючи центральну зону від потенційних кандидатів у гіпершвидкісні зорі.

Після злиття чорних дір зорі знову отримали можливість наближатися до Стрільця А*, однак, змінився вже він сам. Згідно з моделюванням, злиття чорних дір мало супроводжуватися характерним гравітаційним «відскоком», коли Стрілець А* після поглинання компаньйона отримав поштовх та почав рухатися зі швидкістю 0,5 кілометра за секунду.

Цей рух астрофізики й зараз спостерігають: Стрілець А* демонструє власний рух зі швидкістю приблизно 0,5 кілометра на секунду у напрямку площини Галактики та близько 0,8 кілометра на секунду перпендикулярно до неї, що, на думку авторів дослідження, лише підтверджує їхню гіпотезу. Вони сподіваються знайти більше подібних прикладів в інших галактиках, щоб перевірити свою ідею та розкрити більше деталей про бурхливе минуле Чумацького Шляху.