Исследование траекторий звёзд, вращающихся близко к центру Галактики (S- и G-объектов) позволило высказать предположение, что сверхмассивный объект Стрелец A* в центре Млечного Пути может быть не чёрной дырой, а распределённым в пространстве сгустком тёмной материи. Такую же природу могут иметь массивные объекты в центрах и других галактик.
S-звёзды вблизи центра Млечного Пути (снимки телескопа VLT в ближнем ИК-диапазоне).
Гравитационные силы в центре нашей Галактики в основном определяются некоторым компактным сверхмассивным объектом, который обозначают Стрелец A* (Sagittarius A* или Sgr A*), с массой около 4 миллионов масс Солнца, или около 0,0005 процента массы всей Галактики. Астрофизики сегодня в целом сходятся в том, что это — сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути, который на небесной сфере находится как раз в созвездии Стрельца. Строго говоря, Sgr A* — это обозначение не самой чёрной дыры, а того, что можно наблюдать — компактного радиоисточника в центре Галактики. Такие дыры расположены в центре большинства галактик. Недавно при помощи массива радиотелескопов удалось получить первое композитное изображение чёрной дыры в другой галактике (объекта M87* — центра эллиптической галактики M87 в созвездии Девы на расстоянии 53 миллионов световых лет). Нобелевская премия по физике 2020 года присуждена именно за открытие этого объекта в центре Млечного Пути, хоть в формулировке не используется термин «чёрная дыра», а говорится о «сверхмассивном объекте в центре нашей Галактики» (о Нобелевской премии в 2020 году в области астрофизики см. статью по ссылке).
Предполагаемая структура Млечного Пути: «звёздный» диск из двух компонентов (толстый и тонкий диск), ядро (балдж), шаровые звёздные скопления и гало тёмной материи.
О свойствах таких фантомных объектов, как чёрная дыра или тёмная материя мы в основном можем судить по их гравитационному взаимодействию с окружением. Основная разница заключается в том, что «чёрная дыра» — объект точечный по сравнению с расстоянием до ближайших гравитационно связанных с ним небесных тел. Это относится как к «чёрным дырам звёздной массы», так и к сверхмассивным дырам в центрах галактик. Напротив, «сгусток тёмной материи» предполагает протяжённый объект с неоднородным распределением массы — некоторое невидимое, но массивное облако, которое влияет на движущиеся вблизи и внутри него объекты. Необходимость введения тёмной материи возникла из наблюдения за траекториями звёзд в галактике, в том числе в Млечном Пути. Масса галактики, которую можно оценить по видимой материи, то есть плотности звёзд в различных её частях, оказывается сильно недостаточной для объяснения вращения звёзд вокруг галактического центра (про определение массы Млечного Пути с учётом тёмной материи см. другую статью). Если бы «гало» из тёмной материи имело везде в Галактике однородную плотность, о нём говорить вообще не имело бы смысла — оно бы никак не проявляло себя гравитационно. Во всех работах, где говорят о тёмной материи и её влиянии на движение звёзд в галактике, рассматривают различные модельные распределения массы в таком гало. Обычно молчаливо предполагается, что наибольшая плотность такого облака примерно там, где и центр галактики. В остальном распределение плотности тёмного вещества подбирают исходя из разумных допущений с тем, чтобы объяснить кривые скорости звёзд (зависимость скорости звезды от её расстояния до центра галактики). Сейчас в ходу несколько распространённых «подгоночных» профилей для гало тёмной материи (примеры можно посмотреть в Википедии), они с переменным успехом используются для объяснения различных динамических процессов в Галактике.
Композитный снимок в псевдоцветах показывает разное распределение звёздного вещества (оранжевый), горячего газа (зелёный) и массы в виде тёмной материи (синий цвет) при столкновении нескольких галактик (галактическое скопление Abell 520).
За несколько последних лет в концепции природы Sgr A* как «точечной» чёрной дыры очень большой массы стали появляться нестыковки, связанные с точными наблюдением орбит некоторых ближайших к нему объектов. На таком расстоянии оптически разрешить обычные звёзды, и тем более отследить их траектории сложно, и природа этих объектов до конца неясна. Некоторые из них больше похожи на звёзды, а некоторые имеют черты и звезды, и протяжённого газового облака; соответственно их принято называть S- и G-объектами. Вероятно, материал «звёзд» типа G при прохождении по орбите слишком близко от Sgr A* растягивается приливными силами в длинный хвост, как у кометы, но на больших расстояниях снова ведёт себя как звезда. Подробнее про наблюдения за объектами G-типа в центре Галактики есть отдельная статья.
Рассчитанные орбиты 17 S-звёзд вокруг галактического центра (объекта Sgr A*).
Наблюдая за траекториями некоторых из S- и G-объектов, исследователи заметили, что их «гравитационное растяжение» при прохождении вблизи Sgr A* не вполне укладывается в схему с чёрной дырой. Наибольший интерес здесь вызывают два ближайшие к центру Галактики объекта этих типов — S2 и G2. Так, после прохождения перицентра (ближайшей точки орбиты) объект G2, по некоторым расчётам, не мог бы выжить как единое целое и должен был разорваться или поглотиться чёрной дырой. Это должно было произойти на наших глазах в 2013 или 2014 году; вероятно, астрономы с удовольствием готовились к такому необычному зрелищу. Однако G2 после прохождения перицентра сохранился, и его кинематика поставила предполагаемые параметры чёрной дыры в центре Галактики под вопрос. Аналогичные странности находили и в поведении S-объекта S2.
Наблюдаемые траектории оказалось возможным воспроизвести более точно, если вместо чёрной дыры в качестве притягивающей массы расположить распределённый объект, состоящий из компактного массивного ядра и протяжённого размытого гало. Такие модели устройства «невидимой массы» в Галактике сосуществуют наряду с гипотезой о чёрной дыре. Как известно из законов тяготения, перераспределение массы центрального объекта никак не может повлиять на движение небесных тел на больших расстояниях. Любое тело с центрально-симметричным распределением вещества притягивает объекты с такой же силой, как такая же масса, сосредоточенная в его центре. Поэтому за пределами центрального звёздного кластера на расстоянии около 0,1 парсека от Sgr A* замена чёрной дыры на сгусток тёмной материи не будет иметь последствий — достаточно подобрать облако с такой же суммарной массой. Но для траекторий близких объектов различия могут быть ощутимыми. Оказалось, что надлежащим образом подобранная модель «распределённой» тёмной массы лучше описывает поведение «звезды» G2 и наблюдаемые траектории 17 ближних S-звёзд, которые удалось определить с наиболее высокой точностью. В мае 2021 года в MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) вышла статья группы астрофизиков на базе ICRA (Международного центра релятивистской астрофизики в Италии), в которой продолжается исследование этой альтернативной гипотезы строения центра Галактики.
В основе этого варианта модели лежит фермионная тёмная материя, которая состоит из некоторых гипотетических частиц — авторы предлагают называть их даркино. Такую модель недавно предложили исходя из уравнений общей теории относительности и термодинамики фермионного газа (частиц, подчиняющихся статистике Ферми—Дирака — к ним, например, относятся электроны). На расстояниях, сопоставимых с размерами ядра галактики и больше, модель ведёт себя подобно множеству аналогичных выражений для плотности гало из тёмной материи и удовлетворительно объясняет кривые скорости звёзд в Галактике. Но в центре такого сгустка, в его компактной части (внутри орбиты самого ближнего объекта S2) «газ» вырожден и в игру вступают законы квантовой физики. Если плотность частиц тёмной материи превышает критическое значение, может произойти гравитационный коллапс фермионного газа с образованием уже знакомой галактической сверхмассивной чёрной дыры. Такой механизм может реализоваться не только в Млечном Пути, но и в других галактиках.
Центр Млечного Пути на звёздном небе. L. Landolfi.
Источник: