Впервые получено изображение холодного газового кольца вокруг черной дыры

Новые наблюдения ALMA показывают ранее невидимый диск холодного межзвездного газа, вращающийся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути. Этот туманный диск дает астрономам новое понимание работы аккреции: откачивание материала на поверхность черной дыры.

За десятилетия исследований астрономы разработали более четкую картину хаотического соседства, окружающего сверхмассивную черную дыру в центре Млечного пути. Наш галактический центр находится примерно в 26 000 световых лет от Земли, а сверхмассивная черная дыра там, известная как Стрелец A*, в 4 миллиона раз превышает массу нашего Солнца.

Теперь мы знаем, что этот регион полон звезд, межзвездных пылевых облаков и больших скоплений как феноменально горячих, так и сравнительно холодных газов. Ожидается, что эти газы будут вращаться вокруг черной дыры в огромном аккреционном диске, который простирается на несколько десятых долей светового года от горизонта событий черной дыры.

До сих пор, однако, астрономы были в состоянии увидеть только незначительную, горячую часть этого потока аккрецирующего газа, который образует примерно сферический поток и не показывает очевидного вращения. По оценкам, его температура составляет 10 миллионов градусов по Цельсию или около двух третей от температуры в ядре нашего Солнца.

При этой температуре газ ярко светится в рентгеновском свете, что позволяет изучать его с помощью космических рентгеновских телескопов, вплоть до масштаба, составляющего примерно одну десятую светового года.

В дополнение к этому горячему светящемуся газу, предыдущие наблюдения с помощью телескопов на миллиметровой длине волны обнаружили огромный запас сравнительно более холодного газообразного водорода (около 10 тысяч градусов по Цельсию) на расстоянии до нескольких световых лет от черной дыры. Вклад этого более холодного газа в аккреционный поток ранее был неизвестен.

Хотя наша черная дыра в галактическом центре относительно спокойная, излучение вокруг нее достаточно сильное, чтобы атомы водорода постоянно теряли и рекомбинировали со своими электронами. Эта рекомбинация производит характерный сигнал миллиметровой длины волны, который способен достичь Земли с очень небольшими потерями на своем пути.

Обладая замечательной чувствительностью и мощной способностью видеть мелкие детали, большой массив телескопов Atacama (ALMA) смог обнаружить этот слабый радиосигнал и и получить первое в истории изображение диска с более холодным газом всего лишь на сотой части светового года (или примерно в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца) от сверхмассивной черной дыры.

Эти наблюдения позволили астрономам как картографировать местоположение, так и отследить движение этого газа. Ученые считают, что количество водорода в этом холодном диске составляет около одной десятой массы Юпитера или одной десятитысячной массы Солнца.

Путем картирования сдвигов в длинах волн этого радиосвета из-за эффекта Доплера (свет от объектов, движущихся к Земле, слегка смещается в «более голубую» часть спектра, в то время как свет от движущихся объектов слегка смещается в «более красную» часть), астрономы смогли четко видеть, 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.

A cool accretion disk around the Galactic Centre black hole, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1242-z , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1242-z