В Млечном Пути есть звезды, которые двигаются с четвертой космической скоростью. Это позволяет им преодолеть притяжение Галактики и покинуть ее пределы. Происхождение и поведение таких гиперскоростных светил вызывает много вопросов, и ответы на них помогли бы понять природу сверхмассивной черной дыры в центре Галактики и распределение темной материи в ней.
Расположение видимой и скрытой материи в Млечном Пути определяют по наблюдаемому движению светил. Ускорение свободного падения Солнца относительно центра Галактики равняется двум ангстремам за квадратную секунду, что в сто миллиардов раз меньше этой величины на поверхности Земли. Примерно с таким же ускорением, как и Солнце, перемещается вокруг Галактики видимая и невидимая материя.
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
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
Изображение: UCLA galactic center group / W. M. Keck Observatory laser team
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
Изображение: NASA / ESA / G. Bacon
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).
Браун с коллегами решили обнаружить самые первые гиперскоростные звезды Млечного Пути. К настоящему времени они должны находиться на расстоянии около ста тысяч световых лет от Галактики. Астрономы изучили более половины небосвода северного полушария и, анализируя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили 21 гиперскоростную звезду.
Аналогичные исследования проводят и другие ученые. В частности, обнаружена двойная гиперскоростная звезда, которая ранее, вероятно, входила в состав тройной системы. Следов гиперскоростных звезд от пары сверхмассивных черных дыр пока не обнаружено. Астрономы отмечают, что в этом случае гиперскоростные звезды могут возникнуть не позднее чем за миллион лет до их слияния.
Также отмечается интересная особенность расположения обнаруженных гиперзвуковых звезд на небесной сфере — примерно половина из них находится вблизи созвездия Льва. Почему так — пока непонятно. Ожидается, что исследования в южном полушарии помогут это объяснить.