Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Главное отличие открытых скоплений от ассоциаций состоит в том, что скопления изначально являются гравитационно связанными объектами, но за сотни миллионов или миллиарды лет постепенно разрушаются, поскольку возникают в диске галактики, где много внешних воздействий. И скопления, и ассоциации возникают в результате формирования звезд в крупном молекулярном облаке. В скоплениях концентрация звезд обычно составляет несколько штук в кубическом парсеке, что при размере в несколько парсек приводит к полной численности до 100 000 звезд (хотя обычно в скоплениях лишь несколько тысяч объектов). В ассоциациях концентрация на порядок меньше, а размеры – больше. Соответственно, эти образования из десятков или сотен звезд изначально не связаны гравитационно, и после рассеяния газа сами быстро распадаются на масштабе времени порядка десятков миллионов лет. Типичный возраст рассеянных скоплений составляет порядка 100 млн лет, но есть и долгожители с возрастом несколько миллиардов.

Рассеянные скопления и ассоциации возникают в диске Галактики и в настоящее время.

Открытые скопления в основном возникают в спиральных рукавах, и их используют для отслеживания структуры спирального узора нашей Галактики. Все звезды рассеянного скопления или ассоциации имеют примерно один возраст и химический состав. А вот в шаровых скоплениях наблюдается много примеров звезд с разным составом, для объяснения чего придумано несколько моделей. Также существуют шаровые скопления, где звездное население различается и по возрасту (возможно, это как раз «ободранные» карликовые галактики).

Звездные ассоциации не связаны гравитационно и быстро распадаются.

Наблюдать рассеянные скопления, особенно на больших расстояниях, непросто. Известно несколько тысяч таких скоплений в радиусе до 6000 световых лет от Солнца. Их поверхностная плотность составляет около 100 на квадратный килопарсек, что дает оценку полного числа таких скоплений в Галактике – около 100 000. Количество звезд в ассоциациях еще меньше, поэтому наблюдать их еще сложнее, и сейчас в солнечной окрестности (примерно 6000–7000 световых лет) известно около сотни таких образований. По всей видимости, данные космического телескопа Gaia помогут существенно продвинуться в вопросе изучения скоплений и ассоциаций.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра, масса которой составляет около 4 млн солнечных. Соответствующий ей источник излучения обозначают Sgr A* (Стрелец A*). Это самый близкий к нам пример сверхмассивной черной дыры, поэтому данный объект активно исследуется в разных диапазонах спектра.

Sgr A* – сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики.

Благодаря наблюдениям движения звезд вокруг черной дыры под действием ее притяжения удалось определить ее массу с высокой точностью. Однако в масштабах Галактики масса этой черной дыры мала, а поэтому она оказывает влияние на звездную динамику лишь в своих ближайших окрестностях.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики – около 4 млн масс Солнца. Размер горизонта (радиус Шварцшильда) должен составлять чуть менее 0,1 a.е.

Радиоастрономические наблюдения позволяют оценить размер источника. В настоящее время удалось «подобраться» к черной дыре на расстояние всего лишь в несколько ее диаметров. Работа системы телескопов Event Horizon Telescope должна позволить пронаблюдать область непосредственно вблизи горизонта событий.

Sgr A* является относительно слабым источником.

Несмотря на большую массу, источник является относительно слабым. В спокойном состоянии полная светимость Sgr A* во всех диапазонах всего лишь раз в сто превосходит солнечную. Напомним, что при массе 4 млн масс Солнца предельная (эддингтоновская) светимость (см. раздел 7.2 «Кандидаты в черные дыры в тесных двойных системах») составляет примерно 100 млрд светимостей Солнца. Низкая светимость связана как с низким темпом аккреции (около одной стомиллионной массы Солнца в год), так и с низкой эффективностью выделения энергии (энергия уносится под горизонт черной дыры).

Иногда Sgr A* демонстрирует вспышки, наблюдаемые в разных диапазонах. В рентгеновских лучах вспышки происходят примерно раз в день (частота их появления меняется со временем). В период сильных всплесков полная светимость может возрастать на пару порядков. Наблюдались единичные примеры вспышек, когда светимость достигала почти миллиона светимостей Солнца.

Однако в прошлом активность нашей сверхмассивной черной дыры могла быть значительно выше. Первым аргументом в пользу этого стало открытие Михаилом Ревнивцевым с соавторами в 2004 г. рентгеновского излучения от молекулярного облака Sgr B2, находящегося в 400 световых годах от Sgr A*. Общепринятое объяснение этого излучения состоит в том, что примерно 400 лет назад (без учета того, что свет от центра Галактики до нас идет примерно 25 000–27 000 лет) сверхмассивная черная дыра была существенно более мощным источником рентгеновского излучения. Это излучение добралось до облака Sgr B2 и накачало его энергией, которую облако постепенно высвечивает.

Другим открытием, связанным с прошлой активностью Sgr A*, стало обнаружение в 2010 г. с помощью наблюдений космической гамма-обсерваторией Fermi («Ферми») гигантских пузырей в центре Галактики – так называемых пузырей Ферми (Fermi Bubbles). Размер пузырей, тянущихся в обе стороны от плоскости Галактики, сопоставим с расстоянием от Солнца до Sgr A*. Считается, что они могли быть сформированы мощным энерговыделением центральной черной дыры, произошедшим несколько миллионов лет назад.

Активность Sgr A* иногда существенно возрастает.

Пока не существует прямого подтверждения, что Sgr A* – это именно черная дыра. Однако аргументы против всех предложенных альтернатив достаточно сильны. Например, природу центрального источника нельзя объяснить скоплением отдельных слабосветящихся тел вроде старых нейтронных звезд или белых карликов. Анализ показал, что любая столь массивная и компактная система достаточно быстро сколлапсирует в черную дыру.

Важным аргументом в пользу интерпретации природы источника Sgr A* как черной дыры служит тот факт, что мы не видим излучения от контакта с гипотетической поверхностью. Все наблюдаемое излучение, судя по его спектральным свойствам, возникает в падающем потоке. Излучение от контакта с поверхностью должно было бы превосходить излучение потока для всех известных типов объектов, кроме черных дыр, но его не видно.

В ближайшем будущем с помощью наблюдений со сверхдлинной базой (VLBI) в радиодиапазоне на высоких частотах (субмиллиметровый диапазон) можно будет проверить важное предсказание – «тень черной дыры». Расчеты показали, что вращающаяся черная дыра с источником излучения вокруг нее будет иметь характерный вид. Чтобы это увидеть, необходимо достичь углового разрешения, позволяющего рассмотреть детали с размерами порядка радиуса горизонта. Параметры системы Event Horizon Telescope позволяют надеяться на регистрацию этого эффекта в ближайшее время. Более детальные данные по свойствам «тени» позволят проверять теории гравитации и альтернативы черным дырам.