Sagittarius A*: Чорна дира, яка може спрямовуватися прямо на Землю

Кожна зірка на нічному небі повільно обертається навколо чогось, що ніхто не може побачити. У центрі Чумацького Шляху знаходиться Sagittarius A*, надмасивна чорна дира, яка важить в 4,297 мільйонів разів більше, ніж Сонце, і дивна геометрія того, як вона випромінює енергію у космос, може означати, що один з її струменів спрямований прямо на нашу Сонячну систему.

Sagittarius A* — астрономи просто називають її «Sgr A star» — неможна сфотографувати прямо, тому що з неї не виходить світло. Все, що ми знаємо, походить з спостереження того, як поводять себе газ, зірки та радіохвилі поблизу. Десятиліття цієї детективної роботи перетворили слабкий радіошум на один з найменше вивчених об'єктів галактики, гідний Нобелівської премії та фотографії, зробленої телескопом розміру Землі.

У квітні 1933 року інженер Карл Янський шукав джерело статичного шуму, який завадив трансатлантичним телефонним розмовам, коли простежив радіосигнал до напрямку сузір'я Стрільця, до центру нашої галактики. Він не мав жодного способу дізнатися, що він щойно натрапив на центр Галактики.

Знадобилося ще чотири десятиліття, щоб хтось ізолював точний об'єкт. Астрономи Брюс Балік і Роберт Браун виявили компактне радіоджерело там 13 і 15 лютого 1974 року, використовуючи пару пов'язаних радіотелескопів у Національній радіоастрономічній обсерваторії. Ця точність — розташування однієї точки, похованої в набагато більшому, яскравішому радіосяйві — це те, що врешті-решт дозволило пізнішим командам пов'язати цю точку з чорною дірою, а не просто вважати її незвичайно гучною ділянкою неба.

Астрономи помітили потоки газу G2, що падають до Sagittarius A*, і передбачили, що його найближчий проліт, момент названий перибофрон, відбудеться близько травня 2014 року. Телескопи з усього світу повернулися спостерігати, сподіваючись побачити, як чорна дира розриває хмару в реальному часі.

Представлення ніколи не почалося. Подальші спостереження показали, що матеріал, що потрапляє до Sagittarius A*, залишався дивовижно стійким під час зустрічі, не показуючи жодних ознак порушення від приходу G2. Анти-клімакс сам по собі був корисний: він розповів дослідникам, що закономірність живлення чорної дири більш стійка до проходу хмари, ніж припускали моделі, обмеження, яке все ще впливає на те, як науковці моделюють матеріал, що падає у чорні дири в інших місцях.

Поки всі чекали на G2, Sagittarius A* виявила власний період гніву. 14 вересня 2013 року рентгенівська обсерваторія Chandra захопила спалах в 400 разів яскравіший за нормальне тихе світіння чорної дири — вибух майже в 3 рази сильніший за попередній рекордсмен, встановлений на початку 2012 року. Тижні потім, після того як все заспокоїлось, Chandra зафіксувала другий вибух, цього разу в 200 разів яскравіший за звичайне, в жовтні.

Оскільки обидва спалахи відбулися задовго до передбачуваного найближчого підходу G2, вони не могли бути викликані хмарою, яку всі спостерігали. Основне пояснення набагато дивніше: щось менше і ближче, можливо, блукаючий астероїд, що занадто близько підійшов до чорної дири та розпався. У будь-якому випадку спалахи є нагадуванням того, що Sagittarius A* не потребує драматичної газової хмари, щоб потрапити в новини — вона може робити це сама, непередбачувано, звичайного тижня.

Прилад GRAVITY Європейської південної обсерваторії захопив щось, що ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав раніше: грудки газу, що відтворюють петлю навколо Sagittarius A*, прямо за межею гоизонту подій, приблизно на 30 відсотків швидкості світла — найближче, до якої коли-небудь спостерігав матеріал подорожувати перш ніж впасти за точку неповернення.

Це вимірювання спрацювало тільки тому, що GRAVITY обманює. Він об'єднує світло, зібране чотирма окремими телескопами у Дуже Великому Телескопі, в один віртуальний прилад з розрізняючою здатністю дзеркала шириною 130 метрів, набагато більшим, ніж будь-яка окрема тарілка, яка коли-небудь могла бути побудована. Об'єднання телескопів таким способом перетворює плямо світла на відстані 26 000 світлових років на відстежувану орбіту.

Той самий прилад GRAVITY, спарений з побратимом під назвою SINFONI, витратив роки на відстеження зірки, відомої як S2, коли вона коливалася мимо Sagittarius A* на дико витягнутій орбіті. Коли S2 зробила найближче наближення, дослідники вимірили, вперше в такому екстремальному середовищі, точно ефекти розтягування світла та зсуву орбіти, які передбачає загальна теорія відносності поблизу масивного тіла — не простіша фізика гравітації Ньютона.

S2 більше не є найближчим відомим суперником. З 2020 року зірка під назвою S4714 займає цей рекорд, коливаючись приблизно в межах 12,6 AU — приблизно на відстані Сатурна від Сонця — рухаючись приблизно на 8% швидкості світла. Відстеження зірок як цих, на орбітах досить швидких і тісних, щоб відчути відбитки релятивності, — це те, як астрономи зважили Sagittarius A*, ніколи не бачачи її.

Задовго до того, як хтось сфотографував Sagittarius A*, радіоастрономи наближалися до її справжнього розміру. Дослідження 2019 року, яке об'єднало Atacama Large Millimeter Array з всесвітньою мережею радіотелескопів, виявило, що його радіовипромінювання походить із ділянки неба шириною всього 300 мільйонних частинки градуса, з такою рівномірною формою, що виглядає майже ідеально круглою.

Отримання такого гострого фокусу потребувало десятиліть поступового прогресу: найперші спостереження Sagittarius A* на специфічній радіочастоті, використаній у дослідженні 2019 року, були зроблені 26 років раніше, використовуючи лише кілька телескопів замість глобального масиву. Кожне покоління приладів далі загострювало розпливчастість, поступове загострення, яке врешті-решт зробило можливим реальне зображення.

Це саме дослідження 2019 року розкрило щось тривожне: область випромінювання настільки мала і такою симетричною, що джерело може насправді бути спрямоване майже прямо на Землю. Замість того, щоб дивитися на Sagittarius A* збоку, як ми звичайно дивимось на далекі радіоджерела, ми можемо дивитися майже прямо на один з її струменів, як дивитися у ліхтарик, а не дивитися йому вслід. Це нагадування того, що чорна дира нашої галактики не є пасивним фоном; її геометрія активно формує те, що ми здатні виміряти звідси.

Теоретичний випадок того, що Sagittarius A* мала бути чорною дирою, будувався десятиліттями на точно такому типі орбітальних та радіодоказів. Комітет Нобелівської премії погодився: у 2020 році Райнхард Генцель та Андреа Геш поділили між собою чверть Нобелівської премії з фізики, визнані за встановлення того, що об'єкт у центрі нашої галактики був занадто компактний, щоб бути чим-небудь, окрім чорної дири.

Два роки потім теорія зустрілася з зображенням. 12 травня 2022 року Спільнота телескопа Event Horizon випустила перше зображення Sagittarius A* — сяюче кільце світла, згорнуте навколо темного центру на відстані приблизно 26 000 світлових років від місця, де ми стоїмо. Людству це вдалось лише один раз раніше, захопивши надмасивну чорну діру всередину галактики Messier 87 в 2019 році — що робить це першою підтвердженою фотографією, не просто теоретичним доказом, об'єкта, що сидить в серці нашої власної галактики.

• NASA: Chandra Detects Record-Breaking Outburst from Milky Way's Black Hole
• ESO: Best View Yet of Dusty Cloud Passing Galactic Centre Black Hole
• ESO: Most Detailed Observations of Material Orbiting Close to a Black Hole
• Phys.org: Revealing the Black Hole at the Heart of the Galaxy
• Wikipedia: Sagittarius A*