Астрономы обнаружили звезду, которая движется вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути со скоростью около 15 500 миль в секунду — примерно 25 000 километров в секунду. Это около 8% скорости света. Объект получил обозначение S4714 и относится к числу звёзд, совершающих чрезвычайно тесные пролёты вокруг центральной чёрной дыры нашей Галактики.
Такая скорость делает S4714 одной из самых экстремальных звёзд, известных астрономам. Её орбита проходит на очень небольшом расстоянии от сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A*, расположенной в центре Млечного Пути. Во время наиболее тесного сближения звезда разгоняется до максимальной скорости, после чего удаляется от чёрной дыры и постепенно замедляется.
Наблюдение таких объектов имеет большое значение для изучения окрестностей Стрельца A*. Звёзды, движущиеся по подобным орбитам, служат естественными тестовыми объектами для проверки моделей движения материи в чрезвычайно сильном гравитационном поле.
Стрелец A* — сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики
Центральный объект Млечного Пути
В центре нашей Галактики находится компактный радиоисточник Стрелец A*, который представляет собой сверхмассивную чёрную дыру. Её масса оценивается примерно в 4,3 миллиона масс Солнца.
Несмотря на огромную массу, сама чёрная дыра не видна непосредственно в обычном оптическом диапазоне. Астрономы определяют её существование по движению окружающего вещества и звёзд. Особенно информативны звёзды, которые находятся на очень близких орбитах.
Их движение позволяет измерять свойства центрального объекта с высокой точностью. Фактически астрономы наблюдают не саму чёрную дыру, а то, как её гравитация воздействует на окружающие тела.
Почему звёзды не падают прямо в чёрную дыру
Сильная гравитация Стрельца A* не означает, что все звёзды поблизости обязательно должны падать внутрь неё. Если звезда имеет достаточную орбитальную скорость, она может двигаться по вытянутой орбите вокруг чёрной дыры.
При приближении к центральному объекту скорость звезды увеличивается. После прохождения ближайшей точки орбиты она начинает удаляться и постепенно теряет скорость.
Именно такое движение наблюдается у S4714. Звезда не направляется непосредственно к горизонту событий. Она находится на орбите и совершает периодические пролёты рядом с центральной чёрной дырой.
Почему S4714 движется настолько быстро
Вытянутая орбита разгоняет звезду у чёрной дыры
Орбита S4714 сильно вытянута. Это означает, что расстояние между звездой и Стрельцом A* значительно меняется в течение одного оборота.
Когда звезда находится далеко от чёрной дыры, её скорость относительно невелика. По мере приближения к центральному объекту гравитационное поле становится сильнее, и звезда ускоряется.
Максимальная скорость достигается вблизи ближайшей точки орбиты. Именно там S4714 разгоняется примерно до 25 000 километров в секунду.
После пролёта звезда продолжает удаляться. По мере увеличения расстояния от чёрной дыры её скорость уменьшается.
Такой механизм похож на движение других объектов по вытянутым орбитам, но в случае S4714 экстремальные характеристики центрального гравитационного поля приводят к гораздо более высоким скоростям.
Скорость составляет около 8% скорости света
25 000 километров в секунду — огромная скорость по земным меркам. За одну секунду объект при таком движении мог бы преодолеть расстояние, почти в два раза превышающее диаметр Земли.
При этом скорость света составляет около 300 000 километров в секунду. Таким образом, S4714 во время наиболее быстрого участка орбиты движется примерно с 8% скорости света.
Для звезды, находящейся под действием гравитации сверхмассивной чёрной дыры, такая скорость становится возможной благодаря очень близкому прохождению к центральному объекту.
Именно сочетание большой массы Стрельца A* и чрезвычайно малого расстояния в момент ближайшего сближения делает орбиту S4714 столь необычной.
Самая быстрая звезда находится не там, где её можно было бы легко увидеть
Центральная область Галактики чрезвычайно сложна для наблюдений
Стрелец A* расположен в направлении созвездия Стрельца, примерно в 26 000 световых годах от Земли. Между нами и центром Млечного Пути находится огромное количество газа и пыли.
Эти вещества поглощают значительную часть видимого света. Поэтому обычные оптические наблюдения центральной области Галактики сильно затруднены.
Для обнаружения и отслеживания близких к Стрельцу A* звёзд астрономы используют наблюдения в инфракрасном диапазоне. Инфракрасное излучение значительно лучше проходит через межзвёздную пыль.
Однако даже в инфракрасном диапазоне задача остаётся сложной. В небольшой области вокруг чёрной дыры находится множество звёзд, а расстояния между ними на небе чрезвычайно малы.
Необходимо наблюдать движение звезды на протяжении многих лет
Одного изображения недостаточно, чтобы определить орбиту S4714. Астрономам необходимо измерять положение звезды в разные моменты времени и сравнивать полученные данные.
Если объект действительно движется вокруг Стрельца A*, его положение на небе постепенно меняется. Наблюдая это изменение в течение нескольких лет, исследователи могут восстановить форму орбиты и определить скорость движения.
Для очень быстрых звёзд особенно важны точные измерения положения. Даже небольшие ошибки способны заметно повлиять на расчёт параметров орбиты, особенно когда речь идёт о движении объекта вблизи сверхмассивной чёрной дыры.
S4714 входит в небольшую группу экстремальных звёзд
Рядом со Стрельцом A* уже известны необычные объекты
S4714 не является единственной звездой, движущейся по экстремальной орбите вокруг центра Млечного Пути. Астрономы обнаружили целую группу звёзд, проходящих в непосредственной близости от Стрельца A*.
Наиболее известным объектом долгое время была звезда S2. Её орбита хорошо изучена, а ближайшее сближение со Стрельцом A* происходит примерно на расстоянии 120 астрономических единиц.
S4714 имеет значительно более тесную орбиту. В наиболее близкой точке она проходит примерно в 12,6 астрономической единицы от Стрельца A*.
Для сравнения, одна астрономическая единица — это среднее расстояние между Землёй и Солнцем. Таким образом, ближайшая точка орбиты S4714 находится примерно в 12,6 раза дальше от Солнца, чем Земля.
Однако для звезды, находящейся рядом с объектом массой в несколько миллионов Солнц, это очень малое расстояние.
S4714 движется быстрее известных ранее объектов
Открытие S4714 стало особенно интересным из-за сочетания двух параметров: чрезвычайно высокой скорости и очень тесной орбиты.
Ранее среди наиболее быстрых звёзд вблизи Стрельца A* выделялась S2. Во время ближайшего сближения она разгоняется примерно до 7 650 километров в секунду.
S4714 способна достигать скорости около 25 000 километров в секунду, то есть более чем втрое превышает максимальную скорость S2.
Это не означает, что S4714 постоянно движется с такой скоростью. Максимальная скорость достигается только на наиболее близком участке орбиты. Большую часть времени звезда находится значительно дальше от чёрной дыры и движется медленнее.
Что такое звёзды S-типа в центре Млечного Пути
Наблюдаемая группа получила особое обозначение
Звёзды, обнаруженные в непосредственной окрестности Стрельца A*, часто называют S-звёздами. Они образуют компактную группу объектов, чьи орбитальные движения можно отслеживать вокруг центральной чёрной дыры.
Именно наблюдения за этими звёздами стали одним из наиболее убедительных способов определить массу центрального объекта Млечного Пути.
Если бы в центре находился обычный скопление звёзд или другой компактный объект, их движение выглядело бы иначе. Наблюдаемая структура орбит указывает на наличие чрезвычайно массивного компактного источника.
Звезда S2 стала главным объектом для проверки гравитации
S2 особенно хорошо изучена благодаря относительно короткому периоду обращения. Она совершает полный оборот вокруг Стрельца A* примерно за 16 лет.
Астрономы наблюдали её в течение нескольких орбитальных циклов, что позволило очень точно определить форму орбиты и изменения скорости.
Во время пролёта S2 вблизи Стрельца A* были обнаружены эффекты, предсказанные общей теорией относительности. В частности, наблюдалось гравитационное красное смещение, а также прецессия орбиты.
S4714 интересна по другой причине: она подходит ещё ближе к центральному объекту и развивает значительно большую скорость.
Орбита S4714 может рассказать о гравитации в экстремальных условиях
Чем ближе звезда к чёрной дыре, тем сильнее эффекты общей теории относительности
В обычных условиях движение планет и звёзд можно с высокой точностью описывать с помощью ньютоновской гравитации. Однако вблизи очень массивного компактного объекта необходимо учитывать эффекты общей теории относительности.
Стрелец A* создаёт чрезвычайно сильное гравитационное поле. Поэтому траектория близко проходящей звезды немного отличается от того, что предсказывала бы простая ньютоновская модель.
Такие отклонения можно измерять, если положение звезды известно достаточно точно.
Чем ближе объект подходит к чёрной дыре и чем выше его скорость, тем более заметными становятся релятивистские эффекты.
Орбитальная прецессия является одним из таких эффектов
Один из наблюдаемых эффектов заключается в том, что орбита звезды не остаётся идеально неподвижной в пространстве.
После каждого оборота её ближайшая к чёрной дыре точка немного смещается. В результате орбита постепенно меняет ориентацию.
Такое явление называется прецессией. Для звёзд, находящихся далеко от центрального объекта, эффект крайне мал. Вблизи Стрельца A* его можно измерять благодаря высокой точности современных инфракрасных наблюдений.
S4714 представляет особый интерес именно из-за близкого пролёта, который создаёт возможность изучать движение звезды в более сильном гравитационном поле.
Период обращения S4714 намного больше человеческой жизни
Даже чрезвычайно быстрая звезда не обращается вокруг чёрной дыры за считанные дни
Высокая скорость S4714 может создать ошибочное впечатление, будто звезда совершает оборот вокруг Стрельца A* за очень короткое время.
На самом деле её орбита настолько вытянута, что полный оборот занимает примерно 9,9 года.
Звезда быстро проходит ближайшую часть своей траектории, но затем удаляется на значительно большее расстояние. На удалённых участках она движется медленнее и проводит там большую часть времени.
Таким образом, высокая максимальная скорость является характеристикой относительно короткого участка всей орбиты.
Наблюдать следующий близкий пролёт особенно важно
Близкое прохождение является наиболее информативным периодом для исследований. В это время скорость звезды максимальна, а влияние гравитации Стрельца A* проявляется наиболее сильно.
Однако именно тогда наблюдать звезду труднее всего из-за чрезвычайной плотности объектов в центральной области и особенностей движения по небу.
Продолжение наблюдений за S4714 позволит уточнить её орбиту и проверить, насколько точно существующие модели описывают движение звезды.
Почему открытие не означает, что звезда находится на грани падения в чёрную дыру
S4714 остаётся на орбите
Близкое расстояние до Стрельца A* само по себе не означает неминуемого поглощения звезды.
Чтобы объект оказался внутри горизонта событий, он должен попасть на соответствующую траекторию. S4714 движется по орбите, поэтому после прохождения ближайшей точки снова удаляется от чёрной дыры.
Её траектория проходит значительно дальше горизонта событий Стрельца A*. Поэтому звезда продолжает существовать как отдельный объект и после каждого близкого пролёта уходит на удалённую часть своей орбиты.
Опасность приливных сил остаётся отдельным вопросом
Сильная гравитация рядом с чёрной дырой создаёт огромные приливные силы. Они возникают из-за того, что разные части объекта находятся на немного разных расстояниях от центрального тела и испытывают разное гравитационное воздействие.
Для достаточно тесных пролётов это может привести к деформации или разрушению звезды. Однако S4714 находится на расстоянии, которое позволяет ей проходить этот участок орбиты, не будучи немедленно уничтоженной.
Исследование подобных звёзд позволяет астрономам оценивать, насколько близко обычная звезда может проходить к сверхмассивной чёрной дыре и при этом сохранять целостность.
Откуда могли взяться звёзды на таких необычных орбитах
Их происхождение остаётся сложной задачей
Наблюдаемая группа близких к Стрельцу A* звёзд давно ставит перед астрономами вопросы о происхождении.
В непосредственной близости от сверхмассивной чёрной дыры условия крайне неблагоприятны для обычного формирования звёзд. При этом рядом с ней действительно находятся молодые звёзды.
Одно из объяснений связано с тем, что звёзды могли сформироваться дальше от чёрной дыры, а затем каким-то образом оказаться на близких орбитах.
Другие модели рассматривают взаимодействия нескольких звёзд и сложную динамику в центральной области Галактики.
Центральная область Млечного Пути представляет собой динамическую систему
Вокруг Стрельца A* находится большое количество звёзд. Их гравитационное взаимодействие может менять орбиты отдельных объектов.
Особенно интересны ситуации, когда взаимодействуют несколько звёзд или звезда и двойная система. Такие процессы способны изменить направление и энергию движения отдельных объектов.
Поэтому происхождение S4714 может быть связано не только с её нынешней орбитой, но и с событиями, произошедшими гораздо раньше.
Для проверки этих гипотез необходимо изучать не только одну звезду, но и всю популяцию объектов в центральной части Млечного Пути.
Что астрономы получают благодаря таким звёздам
Они позволяют измерять массу центральной чёрной дыры
Движение звёзд вокруг невидимого центрального объекта предоставляет прямую информацию о его гравитационном влиянии.
Если известны положение звезды, её скорость и форма орбиты, можно определить свойства центрального объекта.
Именно таким способом была получена оценка массы Стрельца A*. Наблюдения разных звёзд позволяют независимо проверять полученные результаты.
Чем ближе звезда подходит к чёрной дыре, тем более чувствительной становится её орбита к характеристикам центрального объекта.
Они помогают проверять общую теорию относительности
Звёзды, движущиеся вблизи Стрельца A*, являются естественными лабораториями для проверки физических теорий.
На Земле невозможно создать гравитационное поле сверхмассивной чёрной дыры. Но наблюдая за движением звёзд вокруг реального объекта, астрономы могут проверять, насколько точно теория описывает их траектории.
Особенно ценны долгосрочные наблюдения. Если положение звезды измерять на протяжении многих лет, можно отслеживать даже небольшие изменения её орбиты.
Почему S4714 трудно наблюдать
Центральная область Галактики переполнена звёздами
В направлении Стрельца A* находится очень плотная область Млечного Пути. На небольшом участке неба видны многочисленные звёзды, расположенные на разных расстояниях от Земли.
Сложность заключается в том, что некоторые объекты оказываются настолько близко друг к другу на изображении, что их трудно разделить.
Для поиска S4714 необходимо отличить её слабый свет от излучения множества других звёзд и следить за её движением на протяжении длительного времени.
Инфракрасные телескопы играют ключевую роль
Межзвёздная пыль значительно мешает наблюдениям центра Галактики в видимом диапазоне. Инфракрасные волны проходят через пылевые облака значительно эффективнее.
Именно поэтому многие исследования звёзд вблизи Стрельца A* проводятся с помощью мощных инфракрасных телескопов.
Современные инструменты позволяют получать изображения с высокой угловой точностью. Благодаря этому астрономы могут отслеживать положение отдельных звёзд даже в очень плотной центральной области.
Самая высокая скорость звезды не означает рекорд вообще среди всех космических объектов
Важно правильно понимать формулировку о рекорде S4714.
Звезда движется с огромной скоростью, но существуют космические объекты, способные двигаться значительно быстрее. Например, частицы космических лучей могут приближаться к скорости света.
Кроме того, некоторые компактные объекты и струи вещества, выбрасываемые активными галактическими ядрами, могут демонстрировать скорости, близкие к световой.
Особенность S4714 состоит именно в том, что это звезда, движущаяся по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры с необычайно высокой скоростью.
Это важное различие: астрономический рекорд относится к конкретному классу объектов и конкретному типу движения.
S4714 показывает, насколько экстремальной может быть центральная область Галактики
Большую часть времени Млечный Путь кажется относительно спокойной галактикой. Солнце движется по своей орбите на расстоянии около 26 000 световых лет от центра, а окружающее пространство не демонстрирует признаков непосредственного воздействия Стрельца A* на нашу планетную систему.
Но центральная область Галактики устроена совершенно иначе.
Там находится сверхмассивная чёрная дыра с массой в миллионы Солнц, окружённая большим количеством звёзд и других объектов. Некоторые из этих звёзд движутся по чрезвычайно вытянутым орбитам и на короткое время приближаются к чёрной дыре на расстояния, которые по космическим меркам являются очень небольшими.
S4714 стала особенно интересной именно благодаря своему экстремальному пролёту. Разгон до примерно 25 000 километров в секунду показывает, насколько сильно гравитация Стрельца A* влияет на близкие объекты.
При этом звезда не исчезает за горизонтом событий и продолжает двигаться по орбите. Её период обращения составляет около 9,9 года, поэтому каждый новый близкий пролёт предоставляет астрономам возможность снова измерить её положение и скорость.
Дальнейшие наблюдения за S4714 и другими звёздами в центральной части Млечного Пути помогут точнее определить параметры их орбит, изучить динамику звёздного окружения Стрельца A* и проверить предсказания общей теории относительности в сильном гравитационном поле.
Самое важное значение подобных открытий заключается не только в установлении очередного рекорда скорости. Такие звёзды превращают окрестности нашей центральной чёрной дыры в естественную лабораторию, где законы физики можно проверять непосредственно по движению реальных космических объектов.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
