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.
8.6. Спутники Галактики. Местная группа
Сценарии образования галактик в стандартной космологической модели с холодным темным веществом и космологической постоянной (так называемая CDM-модель, см. раздел 11.5 «Состав Вселенной. Темное вещество») предсказывают, что многие галактики типа нашей являются членами групп и окружены десятками карликовых спутников. В самом деле, со времен Хаббла, предложившего название Местная группа, известно, что наша Галактика, туманность Андромеды (М31), галактика в Треугольнике (М33), Магеллановы Облака и множество карликовых галактик образуют связанную систему.
Наша Галактика и туманность Андромеды, а также около сотни более мелких галактик образуют гравитационно связанную систему – Местную группу.
Сейчас мы знаем, что ее размеры составляют около 10 млн световых лет и она находится в области повышенной пространственной концентрации галактик, центром которой является скопление в созвездии Девы. Масса Местной группы составляет (2 – 3) × 10¹² масс Солнца. Самые массивные компоненты – это М31 (примерно 1,5 × 10¹² масс Солнца) и наша Галактика (~10¹² масс Солнца), при этом масса в основном обеспечивается темным веществом.
Число карликовых галактик Местной группы велико, сейчас их известно несколько десятков, и постоянно обнаруживают новые слабые объекты с малой поверхностной яркостью. Так, например, крупная галактика (половина излучения приходит из области радиусом более 1 килопарсек), уступающая по размерам только Магеллановым Облакам и карликовой галактике в Стрельце, из-за своей низкой поверхностной яркости была открыта на расстоянии всего 120 килопарсек от Солнца лишь в 2016 г. Кроме того, в Местной группе должно быть множество (многие десятки) относительно небольших гало темного вещества, которые так и не стали галактиками, поскольку там не начался процесс активного звездообразования.
Размер Местной группы – 10 млн световых лет.
Еще недавно считалось, что большое количество таких объектов (гало из темного вещества с небольшим количеством газа, которые по массе примерно соответствуют карликовым галактикам), предсказываемое расчетами, является огромной проблемой для CDM-модели, поскольку число известных карликовых галактик было на порядок меньше. Однако количество известных галактик малой массы и размера выросло, а расчеты с учетом роли барионного вещества показали, что лишь небольшая часть темных гало на самом деле проявляет себя как галактики. Более того, асимметрия в распределении галактик, полученная в расчетах, подтверждается данными наблюдений. Это связано с тем, что барионы в больших масштабах распределены в волокнах. Сейчас весь этот комплекс данных единым образом неплохо воспроизводится в таких компьютерных моделях, как проекты Illustris и EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments) (см. раздел 15.3 «Численный эксперимент и моделирование»).
Карликовые галактики постепенно поглощаются более крупными.
Наша Местная группа не является исключением. Более того, она в меру типична, и в ее окрестности есть подобные образования: например, группа в Центавре на расстоянии около 4 мегапарсек, включающая в себя галактики М83 и Cen A.
Итогом эволюции Местной группы будет слияние практически всех объектов, входящих в нее.
Эволюция Местной группы продолжается и сейчас. Карликовые спутники, постепенно рассеиваясь, поглощаются крупными галактиками. Это приводит к тому, что в гало (например, нашей Галактики) от таких спутников остаются шлейфы (подобно тому как метеорные потоки остаются на орбитах комет, разрушаемых Солнцем). Первый крупный шлейф в гало был обнаружен в 1998 г., он связан с известной карликовой галактикой в Стрельце.
Возможность детального изучения гравитационного потенциала Галактики с помощью наблюдения шлейфов обсуждается давно. В настоящее время анализ этих остатков карликовых галактик позволяет восстановить форму гало и распределение вещества в нем в масштабе, превышающем 100 000 световых лет.
Поглощение мелких галактик крупными – не единственный эволюционный процесс в нашей группе галактик. На масштабе миллиардов лет будут тесно взаимодействовать и самые крупные члены Местной группы. Сейчас туманность Андромеды приближается к нам. В 2012 г. впервые удалось достаточно точно измерить ее трехмерный вектор скорости, и это позволило рассчитывать подробные сценарии эволюции Местной группы. Примерно через 4 млрд лет наша Галактика и М31 пройдут очень близко друг от друга и начнется процесс слияния, который займет около 3 млрд лет, впоследствии к ним присоединится и М33. Детали исхода слияния не ясны, но, очевидно, все три галактики сольются воедино, породив новую галактику, которая уже получила собственное имя – Милкомеда (Milky way + Andromeda). Солнце к этому моменту уже превратится в белый карлик, который, вероятнее всего, будет находиться на окраинах Милкомеды. По истечении примерно 150 млрд лет в Местной группе сольются практически все объекты, остающиеся в ней, а небольшая часть карликовых галактик, наоборот, покинет ее в результате взаимодействий с крупными членами группы.
Глава 9Межзвездная среда
Основные компоненты межзвездной среды – газ, пыль, магнитные поля и космические лучи. Газ и пыль служат материалом для новых поколений звезд. В свою очередь звезды, закончив свой жизненный цикл, сбрасывают часть вещества обратно в межзвездную среду, обогащая ее наработанными в ходе реакций тяжелыми элементами.
Впервые надежные данные о существовании значительных масс вещества между звездами (там, где даже не было заметно ни светлых, ни темных туманностей) были получены в 1904 г. Иоганном Гартманом (Johannes Hartmann), который продемонстрировал поглощение света в линиях кальция, исследуя спектр звезды дельта Ориона.
Мы видим проявления межзвездной среды даже невооруженным глазом: клочковатая структура Млечного Пути объясняется темными облаками холодного газа и пыли, поглощающими свет звезд. Именно наблюдения межзвездного поглощения света позволили в начале XX в. доказать наличие значительных масс вещества в межзвездном пространстве.
9.1. Межзвездный газ и пыль. Состав среды
Межзвездная среда в нашей Галактике на 70 % (по массе) состоит из водорода и на 28 % – из гелия (на остальные элементы приходится примерно 2 %). Вещество может находиться в разных состояниях. В первом приближении можно выделить две главные составляющие: газ и пыль.
Основные составляющие межзвездной среды – газ, пыль, магнитные поля и космические лучи.
Газа в Галактике больше, чем пыли, его полная масса составляет около 10 млрд масс Солнца. Он может находиться в разных состояниях в зависимости от его плотности и температуры и в основном сосредоточен в галактическом диске (если не указано иное, далее рассматривается именно этот газ).
Основная масса молекулярного газа сосредоточена в плотных облаках, занимающих 1–2 % объема.
Основной объем галактического газа – ионизованный водород, который имеет относительно высокую температуру. При этом его плотность невелика, так что по массе доля ионизованного газа составляет лишь четверть (остальное приходится на молекулярный и нейтральный газ). Значительная масса сосредоточена в плотных холодных облаках молекулярного газа, занимающих лишь несколько процентов от полного объема.
Фаза (состояние) межзвездной среды определяется комбинацией температуры и плотности межзвездного газа, в зависимости от этих параметров газ может быть молекулярным, нейтральным или ионизованным. Вне молекулярных облаков, где плотность превосходит 100 атомов водорода в кубическом сантиметре, выделяют четыре основных состояния (фазы) газа (исключая области непосредственно вблизи звезд, а также некоторые другие случаи, соответствующие в целом небольшому относительному объему). Первое состояние – это холодная нейтральная среда с температурой около 100 K и плотностью десятки атомов в кубическом сантиметре. Второе состояние – это теплая нейтральная среда с температурой 6000–10 000 K, где на один атом приходится несколько кубических сантиметров. Третье состояние – теплая ионизованная среда, которая по своим параметрам похожа на теплую нейтральную. Ее особенно много вдали от плоскости диска, и основной объем ионизованного газа приходится именно на нее. Наконец, четвертое состояние – горячая ионизованная среда с температурой около 1 000 000 K, где на один атом приходится примерно 100 см³. Это, конечно, довольно упрощенная схема деления на фазы, реальная картина гораздо сложнее, в первую очередь из-за турбулентности, перемешивающей межзвездную среду.
Масса газа примерно в 100 раз превосходит массу пыли.
Количество газа меняется в зависимости от расстояния от центра Галактики и от галактической плоскости. Разные составляющие при этом ведут себя по-разному (хотя наблюдается общий тренд уменьшения плотности при удалении от центра и от плоскости). Так, молекулярного газа много внутри радиуса 500 парсек от центра Галактики – это так называемая центральная молекулярная зона. Затем его содержание падает вплоть до 3–4 килопарсек, а между 4 и 6 килопарсек молекулярного газа снова много – это так называемое молекулярное кольцо, после которого начинается стабильное экспоненциальное спадание концентрации. Эта составляющая межзвездной среды крайне важна, поскольку именно с ней связано звездообразование в Галактике.