меню содержание news297 news298 news299
Солнце оказалось галактическим мигрантом
|
Ученые показали, что в галактиках нашего типа звезды перемещаются на большие расстояния от места
своего рождения. Долгое время астрофизики полагали, что звезды находятся в той части галактики, в
которой они родились. Однако американские астрономы решили проверить это. В результате они по-
казали, что это не совсем так.
В течение 100 тысяч часов на крупнейших суперкомпьютерах мира они моделировали эволюцию и
формирование нашей Галактики, с того момента, когда она представляла недифференцированный
сгусток материи, образовавшийся после Большого Взрыва. Специалисты показали, что звезды, орбиты
которых находятся близко к центру Галактики, сбивались с курса. С ними и их орбитами происходит
примерно то же, что с катящимся колесом, попавшим в колдобину.
В своей юности наше Солнце также мигрировало. И в настоящее время оно находится в два раза даль-
ше от центра Галактики, чем в момент своего рождения, которое произошло 4,6 миллиарда лет назад.
Ученые полагают, что знание о миграциях звезд позволит объяснить процессы перемешивания хими-
ческих элементов в звездных системах, находящихся рядом с Солнечной системой, поскольку возмож-
ность возникновения жизни в значительной степени зависит от необходимого соотношения химичес-
ких элементов, пишет Sciencedaily.com.
sciencedaily.com/releases/2008/09/080915170755.htm
Чёрная дыра крупнее света
|
MIT / Shep Doeleman
Телескоп размером в тысячи километров позволил разглядеть чёрную дыру в центре нашей Галактики
в небывалых деталях. Размер источника света – меньше 25 миллионов километров, а значит, у объекта
есть горизонт событий – главная особенность настоящих чёрных дыр, отличающая их от альтернатив-
ных самозванцев.
В центре каждой уважающей себя галактики должна быть чёрная дыра. И не простая, а сверхмассивная,
которая весит от нескольких миллионов до многих миллиардов масс Солнца. Сами по себе эти объек-
ты, на границе которых застывают время и свет, не светятся, и большую часть времени они тихо сидят
в центрах своих галактик, едва-едва выдавая своё присутствие мерцанием нагретого замагниченного
газа, который, сжимаясь, медленно приближается к горизонту событий, где он навечно скроется.
Но иногда чёрным дырам удаётся поживиться. Бывает, звезда в своих блужданиях по галактике забре-
дает слишком близко к дыре и оказывается разрушена мощнейшими приливными гравитационными
силами невидимого монстра. Бывает, галактика, в центре которой он сидит, сталкивается с другой.
Тогда при перестройке орбит всего вещества, обращавшегося до столкновения вокруг центров двух га-
лактик, в опасной близости от чёрной дыры могут оказаться облака газа, которые также рано или позд-
но будут проглочены.
Пока чёрная дыра пирует, падающий в неё газ ярко светится, нагреваясь до миллионов и миллиардов
градусов из-за трения во вращающемся вокруг дыры так называемом аккреционном диске. Избытки же
вещества, которые чёрная дыра не может проглотить, вылетают наружу в виде двух струй или джетов,
в образовании которых, видимо, ключевую роль играет магнитное поле. В такие моменты на небе заго-
рается активное галактическое ядро, и те миллионы лет, пока оно светит, можно быть уверенным, что
масса чёрной дыры непрерывно увеличивается за счёт пожираемого газа и звёзд.
Стрелец A* (в центре) и два световых эха от недавнего взрыва (в кружке)
Систематика чёрных дыр
В настоящее время твёрдо установлено наличие двух типов чёрных дыр, и имеются достаточно обос-
нованные свидетельства существование третьего и пока лишь умозрительные гипотезы насчёт нали-
чия..
Чёрная дыра в центре нашей Галактики за свою историю много не наела. Её масса – всего 3,5- 4 милли-
она солнц. Это немного по меркам сверхмассивных чёрных дыр, и такой огромной звёздной системе,
как Млечный путь, наверное, должно быть даже обидно, что в центре его спиральных рукавов прячется
такая кроха. Впрочем, человечеству, возможно, огорчаться не стоит: небольшой вес центральной дыры
намекает на то, что история Млечного пути обошлась без крупных столкновений с другими звёздными
системами; а неизвестно, как бы пошла история жизни на Земле, если бы такие столкновения были.
Тем не менее, именно наша «родная» чёрная дыра – самый притягательный объект для астрономов и
тех физиков, что всё ещё сомневаются в существовании этих объектов.
Причина этого проста – у чёрной дыры в центре нашей Галактики самый большой размер на небе.
Настоящий, линейный, выраженный в сантиметрах размер чёрной дыры – то есть того «горизонта со-
бытий», из-под которого ничто, даже свет, не может убежать наружу – пропорционален её массе. Так
что во Вселенной есть черные дыры, диаметр которых в тысячи раз превышает 20–25 миллионов кило-
метров, соответствующих «нашей» чёрной дыре. Но все эти расположены очень далеко, потому угло-
вой, в градусах и их разнообразных долях, размер чёрной дыр на небе больше всех именно у объекта,
расположенного в центре нашей галактики. Существует немало кандидатов в чёрные дыры, располо-
женных ещё ближе к Земле, но они из совсем другой весовой категории чёрных дыр звёздных масс, а
потому гораздо меньше.
Тем не менее, если выразить этот «самый большой размер на небе» числом, получится очень малень-
кая величина – диаметр чёрной дыры должен составлять примерно 20 угловых микросекунд. Посколь-
ку из-под горизонта никакое излучение не выходит, мы можем рассчитывать увидеть лишь вещество,
которое находится рядом с границей чёрной дыры.
Световые лучи в её окрестностях выписывают замысловатые траектории, благодаря чему изображение,
которое мы видим, распухает ещё в два–три раза. В итоге мы можем надеяться увидеть на месте чёрной
дыры источник размером около 50 угловых микросекунд.
Это по-прежнему очень мало – примерно в 100 миллионов раз меньше углового градуса, в 2 миллиона
раз меньше разрешения человеческого глаза и в тысячу-другую раз меньше самых крохотных подробнос-
тей неба, которые можно разглядеть с помощью космического телескопа имени Хаббла.
Видеть столь мелкие детали способны только радиоастрономы.
Это особая каста учёных, которые никак не походят на стереотип астронома – причудливого старичка
в расшитом звёздами плаще, просиживающего ночи напролёт в обсерватории. Радиоастрономы направ-
ляют в небо огромные чаши радиотелескопов, которым обычно не мешает и дневной свет, и записыва-
ют шумы, которые появляются в фокусе этих антенн.
Радиоастрономы хотя и немногочисленны, но в некоторых вопросах гораздо успешнее своих оптичес-
ких коллег - например, большая часть из тех немногих Нобелевских премий, что достались астрономам,
уехали именно в радиообсерватории. Эти же люди умеют получать самые подробные изображения
неба.
Последнее обстоятельство, вообще говоря, парадоксально. Из-за волновой природы электромагнитного
излучения размер самых мелких деталей, которые различимы в телескоп, примерно равен отношению
длины волны к диаметру телескопа. Но радиоволны – это как раз самые длинные волны, и подробность
изображения, полученного с их помощью, должна уступать оптическому снимку и тем более ультрафио-
летовому или рентгеновскому.
Спасает метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой ( РСДБ ). Радиоастрономы научились
обращать зло большой длины радиоволн во благо, объединяя записанные на разных континентах коле-
бания электромагнитного поля и превращая таким образом Землю в гигантский «виртуальный радио-
телескоп» диаметром тысячи километров. Конечно, при таком объединении требуется исключительная
стабильность записей, поэтому РСДБ считается верхом наблюдательного искусства в радиоастрономии.
Записывать подобным образом оптические сигналы пока никто не умеет - их частота настолько высока,
что детекторы успевают почувствовать лишь усреднённые характеристики электромагнитного поля.
РСДБ
На самом деле, предел разрешения телескопа зависит, не собственно от размеров объектива, а от рассто-
яния между его самыми удалёнными точками. Свет идёт хотя и очень быстро, но с конечной скоростью,
и именно крохотные задержки моментов прихода «гребня» ( некоторой заданной фазы ) волны между
крайними точками и определяют, сколь мелкие детали мы видим.
Если взять объектив, разрезать его на части и разнести их на большое расстояние, а построенные ими
изображения объединить, результат окажется куда более подробным, чем у исходного телескопа. На де-
ле, конечно, зеркала и линзы не режут, а просто объединяют сигналы нескольких телескопов в интерфе-
рометре.
Поскольку длины радиоволн в тысячи раз больше длины волны видимого света, то чтобы тягаться с оп-
тическими телескопами размером в несколько метров, радиоантенны нужно разводить на многие кило-
метры. Если же расстояние между антеннами увеличить до тысяч километров, то оптики будут посрам-
лены.
Проблема только в том, что сводить сигналы, полученные за тысячи километров друг от друга, сложно
- провода с континента до континента не дотянешь, а если и дотянешь, то из-за случайных перепадов
температур во времена прихода сигналов будет вноситься непредсказуемый шум, который полностью
угробит весь полезный сигнал.
Однако длинные волны – это одновременно небольшие частоты, а значит можно полностью отказаться
от проводов. Вместо этого приходящие радиоволны просто записывают на магнитную плёнку или диск,
а объединяют сигналы уже потом, проигрывая их с того же носителя.
Этот метод называет радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой, известной русским сокращением
РСДБ и английским акронимом VLBI ( Very Long Baseline Interferometry ).
Если покрыть большую площадь массивом радиотелескопов, корреляция между различными приёмни-
ками будет, по сути, представлять собой преобразование Фурье от изображения наблюдаемого источ-
ника. Обратить это преобразование и выяснить, как этот источник выглядит – дело математической
техники.
Для наблюдений центра нашей Галактики учёные задействовали три антенны:
1: на Гавайях работал 15-метровый Телескоп имени Джеймса Клерка Максвелла (JCMT), временная
стабильность данных которого обеспечивалась Субмиллиметровым массивом телескопов ( SMA);
2: в штате Аризона наблюдения осуществлял 10-метровый Субмиллиметровый телескоп (SMT) Ари-
зонской радиообсерватории ( ARO);
3: на востоке Калифорнии им помогал Комбинированный массив для астрономических исследова-
ний в миллиметровом диапазоне ( CARMA). // MIT / Shep Doeleman
Учёные из США, Нидерландов и Германии под руководством Шепа Доулмана из Массачусетского тех-
нологического института построили свой «виртуальный радиотелескоп» на данных, полученных с по-
мощью антенн в американских штатах Аризона, Калифорния и на Гавайях. Результаты этой работы из-
ложены в последнем номере Nature. Наблюдения центра нашей галактики, которые состоялись ещё в
апреле прошлого года, Доулман и коллеги провели с помощью радиоволн длиной всего 1,3 миллиметра.
Это и вовсе высший пилотаж. Для обеспечения стабильности записи данных, которые каждый детектор
выдавал со скоростью полгигабайта в секунду, пришлось использовать эталон времени на основе водо-
родного мазера – по сути, атомные часы. Кроме того, все данные калибровались по шести небесным ра-
диоисточникам, сигналы от которых записывались всякий раз перед началом наблюдений галактичес-
кого центра.
Короткая длина радиоволн и тысячи километров расстояния между антеннами позволили достичь не-
бывалой точности всего в 40 угловых микросекунд. На расстоянии в 25 тысяч световых лет от Земли,
где находится центр галактики, это соответствует всего 50 миллионам километров, что втрое меньше
расстояния от Земли до Солнца. Именно с таким разрешением астрономы и смогли пронаблюдать на-
шу центральную чёрную дыру, а точнее – загадочный источник радиоизлучения Стрелец A* ( Sgr A*),
который неизменно связывают с чёрной дырой последние несколько десятилетий.
У миллиметровых радиоволн есть ещё одно преимущество – их меньше замывают неоднородности
ионизованной межзвёздной среды, через которые идут радиоволны. Для длины волны в 1,3 милли-
метра это размытие составляет 20 угловых микросекунд, а для сантиметровых – уже тысячу с лишним.
Понятно, что увидеть объект размером 50 угловых микросекунд на сантиметровых радиоволнах нельзя.
Собственно, у Доулмана и его коллег «увидеть», создать изображение Sgr A* не получилось. То, что
многие поспешили объявить «портретом» чёрной дыры, – не более чем рисунок.
Модель чёрной дыры в центре нашей Галактики, а также аккреционного диска падающего на неё и
джетов выбрасываемого из её окрестностей вещества. На врезе показано, как должна выглядеть
центральная область при хорошем разрешении. Детали этого изображения должны существенно и
нетривиальным образом зависеть от ориентации аккреционного диска и углового момента самой
чёрной дыры.
Разрешение, достигнутое в нынешней работе, представлено оранжевым кружком. Оно уже не допус-
кает существования объекта необходимой по кинематическим данным массы без горизонта собы-
тий. // MIT/Shep Doeleman/ NASA/ CXC/M.Weiss/ JHU/S.Noble/ U.Illinois/C.Gammie
Пытаться восстановить настоящее изображение радиоисточника в данном случае - дело безнадёжное,
поскольку данных с трёх плеч интерферометра, в одном из которых к тому же не удалось зафиксировать
вменяемого сигнала, – недостаточно.
Однако учёным удалось показать, что источник радиоволн Sgr A* размерами меньше, чем 40 миллио-
нов километров, а с учётом распухания его видимых размеров благодаря искривлению лучей истин-
ный размер должен быть меньше 20–25 миллионов километров.
Это означает, что здесь не может прятаться какой-то светящийся объект (звезда) без горизонта событий.
Масса Sgr A* точно измерена по движению звёзд в его окрестностях, но у продолжающих отказывать
чёрным дырам в праве на существование скептиков оставалась уйма экзотических вариантов, способ-
ных объяснить природу этого объекта. Это могли быть кварковые звёзды, какие-нибудь массивные
образования из бозонов - частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий, просто очень тес-
ное скопление радиоисточников.
Теперь эти варианты исключены, поскольку все такие объекты должны быть больше, чем чёрная дыра.
Только она может заставить светиться что-то в своих окрестностях, – например акрецционный диск
или джеты – и при этом спрятать основную массу в темноте, за горизонтом событий, из-под которого
не пробивается свет. Чтобы отрицать существование чёрной дыры в центре нашей галактики теперь,
придётся серьёзно пересмотреть современные представления о гравитации, причин чему пока не ви-
дится.
Теперь, когда дверь в РСДБ-исследования центра Млечного пути открыта, астрономы с нетерпением
ждут появления настоящих изображений с помощью ещё более коротких радиоволн.
По этим «фотографиям» можно будет понять, как крутятся чёрная дыра и само пространство-время
рядом с ней, поскольку от параметров вращения сильно зависит, как искривляются лучи света в окрест-
ностях чёрной дыры, которые и создают итоговое изображение.
А вот уже по скорости вращения можно будет узнать, как росла чёрная дыра, чем и как долго она пита-
лась, откуда пришло то вещество, из которого она теперь состоит. История всей нашей галактики и её
центральной чёрной дыры связаны воедино, так что наблюдая далёкого монстра, мы изучаем своё
собственное прошлое.
gazeta.ru/science/2008/09/04_a_2830734.shtml
Keek / UCLA - Galactic Center Group
