Астрономы обнаружили диск холодного межзвездного газа, вращающийся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики.

Как и во многих других галактиках в центре Млечного пути находится сверхмассивная черная дыра, известная как Стрелец A *. Масса её примерно в 4 миллиона раз превышает массу нашего Солнца, а расстояние до Земли составляет около 26 000 световых лет. Эта самая близкая к нам чёрная дыра активно изучается на протяжении последних десятилетий.

ALMA-изображение диска из холодного водорода, обтекающего сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики. Цвета представляют движение газа относительно Земли: красная часть удаляется, синяя – приближается. Крест указывает на местоположение черной ды

Телескоп ALMA (Atacama Large Millimeter Array – Атакамская большая [антенная] решётка миллиметрового диапазона) — комплекс радиотелескопов, расположенный в чилийской пустыне Атакама (фото ALMA)

Сверхмассивная чёрная дыра с аккреционным диском и струёй плазмы — джетом. Показано примерное расположение основных элементов её окружения (Иллюстрация ESO).

Один из интереснейших объектов исследования – аккреционный диск – огромное облако газов, притянутое мощной гравитацией чёрной дыры из окружающего космоса и вращающееся вокруг неё. Простирается такой диск на несколько десятых светового года от горизонта черной дыры, совсем немного по космическим меркам. Исследователей интересуют как механизм аккреции – падения вещества на чёрную дыру, так и процессы, происходящие в самом диске.

Однако до сих пор астрономы хорошо изучили только незначительную, горячую часть, потока газа, который стекается к чёрной дыре. Он имеет почти сферическую форму и не показывает явного вращения. По оценкам, температура этого газа порядка 10 миллионов градусов по Цельсию, что составляет около двух третей от температуры в ядре нашего Солнца. При такой температуре газ ярко светится в рентгеновском диапазоне, что позволяет изучать его с помощью космических рентгеновских телескопов, вплоть до расстояния в одну десятую светового года от черной дыры.

Кроме того, наблюдения с помощью телескопов, работающих на миллиметровых длинах волн, обнаружили вокруг чёрной дыры на протяжении нескольких световых лет большое количество сравнительно более холодного газообразного водорода с температурой около 10 тысяч градусов по Цельсию. Природа его излучения иная. Аккреционный диск испускает достаточно сильное излучение, приводящее к постоянному процессу ионизации атомов водорода – потере ими электронов. Одновременно протекает и противоположный процесс восстановления нейтральных атомов – рекомбинация. Эта рекомбинация и порождает характерный сигнал миллиметровой длины волны, который способен достичь Земли.

Вклад этого газа в аккреционный поток на черную дыру долго оставался неизвестен. Новые наблюдения на очень чувствительном и способном разглядеть мелкие детали телескопе ALMA обнаружили ранее не замеченный диск из холодного межзвездного газа, расположенный всего в одной сотой светового года от чёрной дыры. Это лишь в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Исследователи считают, что количество водорода в этом холодном диске составляет около одной десятой массы Юпитера или одной десятитысячной массы Солнца. 

Наблюдения позволили астрономам как картографировать местоположение, так и отслеживать движение этого газа. Из-за эффекта Доплера свет от атомов, движущихся к Земле, немного смещается в «синюю» часть спектра, в то время как свет от атомов, удаляющихся от неё, смещается в «красную» его часть. Такое смещение четко показывает, что газ вращается вокруг черной дыры. Эта информация позволит по-новому взглянуть на то, как черные дыры поглощают материю, и на сложную взаимосвязь между черной дырой и ее галактической окрестностью.

Отметим, что ведущий автор статьи – выпускница физфака МГУ Елена Мурчикова, ныне работающая в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси (США). 

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

По материалам Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO, США)