"Звездный рой" у черной дыры: молодые звезды в опасной близости от Sgr A*

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

16 июня 2024, 10:00

В самом сердце нашей Галактики, где скрывается сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, астрономы обнаружили загадочные объекты, окутанные облаками пыли. Эти объекты, получившие название «D-источники» (от английского «dusty»), уже много лет будоражат умы ученых, ставя перед ними сложные вопросы о своем происхождении и природе.

D-источники были впервые замечены около двух десятилетий назад. Их компактное излучение в инфракрасном диапазоне, а также смещенная линия водорода Brγ, свидетельствующая о движении газа, указывают на то, что эти объекты вращаются вокруг черной дыры, словно танцуя в ее гравитационном поле.

Первоначально D-источники считались просто облаками газа и пыли. Однако эта гипотеза быстро столкнулась с рядом трудностей.

«Звездный рой» вокруг черной дыры, абстрактная иллюстрация

Автор: Designer

Во-первых, вблизи черной дыры царят экстремальные условия: мощное излучение и потоки частиц способны быстро испарять любые газовые облака. Расчеты показывают, что время жизни таких облаков в окрестностях Стрельца А* составило бы всего пару лет. D-источники же наблюдаются уже более 15 лет, что делает их существование в виде простых газовых сгустков практически невозможным.

Во-вторых, если бы D-источники были облаками, то их яркость должна была бы меняться по мере приближения к черной дыре. Наблюдения же показывают, что их светимость остается практически постоянной.

Многоволновая диаграмма нахождения внутреннего ≈0,4 пк галактического центра, наблюдаемого в K-диапазоне (красный) и L-диапазоне (синий) с помощью NACO (VLT). Наблюдения на частоте 100 ГГц, проведенные с помощью ALMA (зеленый), основаны на уменьшенных данных, проанализированных в работе Moser et al. (2017). Указаны самые яркие источники K-диапазона (IRS7) и L-диапазона (IRS3). На вставке показан увеличенный вид желтой рамки, где мы отмечаем положение Sgr A* зеленым крестиком (x). Положения всех пылевых источников, проанализированных в данной работе, показаны пурпурным кружком. Север — вверх, восток — влево.

Автор: F. Peißker, M. Zajaček, M. Melamed, B. Ali, M. Singhal, T. Dassel, A. Eckart and V. Karas, A&A Volume 686, June 2024, Galactic structure, stellar clusters and populations DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449729 CC-BY 4.0 Источник: www.aanda.org

Эти противоречия заставили астрономов искать альтернативные объяснения. Наиболее вероятной гипотезой стала звездная природа D-источников.

Дальнейшие исследования, проведенные с помощью мощных телескопов, подтвердили эту версию. Анализ излучения D-источников в разных диапазонах длин волн показал, что они похожи на молодые звезды, окутанные газопылевыми оболочками.

Идентификация G2/DSO в континууме H+K, предложенная в работе Peißker et al. (2020a, 2021a), наблюдалась с помощью SINFONI в 2012 году. Левый график представляет вид H+K континуума свернутого куба данных SINFONI, который используется в качестве входных данных для алгоритма сглаженного вычитания. Средний график показывает результат сглаживания левого изображения и вычитания его из самого себя. Положение G2/DSO в континууме H+K-диапазона согласуется с обнаружением в L-диапазоне, показанным в работе Gillessen et al. (2013). На правом графике показано обнаружение G2/DSO на карте линий с доплеровским смещением на длине волны около 2,18 мкм. Орбита адаптирована из Peißker et al. (2021a), а астрометрическое положение G2/DSO согласуется с результатами, представленными Peißker et al. (2020a), где мы использовали алгоритм деконволюции Люси-Ричардсона для фильтрации высоких частот (Lucy 1974; Peißker et al. 2022). Обнаружение G2/DSO в H+K-диапазоне континуума демонстрирует превосходство этого метода обработки данных. Здесь север находится вверху, а восток — слева.

Но как эти звезды попали в столь опасную близость к черной дыре?

Ученые предполагают, что D-источники мигрировали к центру Галактики из более отдаленных регионов. Возможно, они образовались в результате слияния двойных звезд или были «выброшены» из своих звездных скоплений под действием гравитационных сил.

Эволюция линии Brγ звезды D9 в период с 2005 по 2019 год по наблюдениям SINFONI. D9 можно идентифицировать в каждую эпоху с собственным движением около 250 км с-1. Соответствующее расстояние D9 и скорость LOS приведены в таблице 4. Sgr A* отмечена зеленым крестиком (x). Здесь север — вверх, а восток — влево. В эпохи 2015 и 2016 годов к северу от D9 наблюдаются остатки, которые связаны с недостаточным откликом инструмента при наблюдениях.

Изучение D-источников позволяет получить уникальную информацию о звездной эволюции в экстремальных условиях.

Особенно интересно, что D-источники в скоплении S-звезд, вращающихся вокруг черной дыры, расположены не хаотично, а организованы в дискообразную структуру.

Кеплеровы орбиты всех исследованных в данной работе пылевых объектов. Показанные кеплеровы решения представляют собой наилучшие орбиты, которые ограничены базовой линией данных. Поэтому увеличение количества данных приводит к увеличению базовой линии данных и повышению точности. Здесь Sgr A* находится в точке (0,0). Орбита S4716 взята из Peißker et al. (2022). Север — вверх, восток — влево.

Такое упорядоченное расположение D-источников ставит перед астрономами еще одну загадку.

Как образовалась эта дискообразная структура в таком хаотичном месте, как окрестности черной дыры?

Одна из гипотез предполагает влияние вращения самой черной дыры. Эффект Лензе-Тирринга, обусловленный вращением массивного объекта, может заставлять звезды выстраиваться в определенной плоскости. Однако расчеты показывают, что этот эффект должен был бы привести к более быстрому перемешиванию D-источников и разрушению дискообразной структуры.

Цветная диаграмма пылевого источника S-кластера и IRS13 (золотом). Хотя выборка IRS13 несколько больше по сравнению с объектами S-кластера, исследованными в данной работе, обе группы пылевых источников демонстрируют сходство, предполагающее общую природу. Особенно пыльные источники S-кластера, похоже, имеют сопоставимый фотометрический след. Все неопределенности отражают стандартное отклонение связанной величины, оцененной для всех доступных эпох между 2006 и 2019 годами. Линейная серая подгонка представляет собой однокомпонентное черное тело. Основываясь на этой классификации, мы пришли к выводу, что большинство пылевых источников имеют цвета, соответствующие классификации YSO. Для сравнения мы включили цвета H-K и K-L для нескольких звезд главной последовательности и AGB-звезд, полученных Блюмом и др. (1996), Оттом и др. (1999), Поттом и др. (2008) и Пейскером и др. (2023b).

Возможно, ответ кроется во взаимодействии D-источников с другими массивными объектами в центре Галактики, такими как скопление IRS 13. Гравитационные силы этих объектов могли бы стабилизировать диск D-источников, предотвращая его разрушение.

Дальнейшие наблюдения и теоретические исследования помогут раскрыть секреты этих загадочных объектов и пролить свет на историю звездной эволюции в центре нашей Галактики.

Радиальный профиль пыли X7 от кончика до хвоста в 2018 и 2019 годах. Мы ребиннинговали данные NACO в L-диапазоне, чтобы они соответствовали масштабу пикселей данных NIRC2, т. е. 10 mas. Профиль измерен от кончика к хвосту и показывает явное усиление эмиссии пыли в задней части источника носового толчка. В отличие от этого, эмиссия линии Brγ с доплеровским смещением не следует профилю, показанному здесь, а, похоже, меняется местами. Другими словами, ионизированный Brγ-газ демонстрирует более высокую интенсивность на острие по сравнению с задней частью ударного источника X7. Мы отсылаем заинтересованного читателя к рис. 5 и 11 в работе Peißker et al. (2021b).

Если D-источники — это звезды, почему их не видно в видимом диапазоне?

Молодые звезды, окутанные газопылевыми оболочками, испускают большую часть энергии в инфракрасном диапазоне. Пыль, окружающая звезду, поглощает видимый свет и переизлучает его в виде инфракрасного излучения. Поэтому D-источники видны только в инфракрасном диапазоне.

Как астрономы могут быть уверены, что D-источники вращаются вокруг черной дыры, а не просто движутся по случайным траекториям?

Астрономы наблюдают смещение линии водорода Brγ в спектрах D-источников. Это смещение вызвано эффектом Доплера, который возникает при движении источника излучения относительно наблюдателя. Анализ смещения линии Brγ позволяет определить скорость и направление движения D-источников. Наблюдения показывают, что скорости и направления движения D-источников соответствуют кеплеровским орбитам вокруг черной дыры.

Может ли черная дыра поглотить D-источники?

Да, черная дыра может поглотить D-источники, но это маловероятное событие. Орбиты D-источников достаточно стабильны, и вероятность их столкновения с черной дырой крайне низка. Однако, гравитационное влияние черной дыры может оказывать влияние на эволюцию D-источников, например, искажая их газопылевые оболочки.

Если D-источники образовались в результате слияния двойных звезд, почему они все расположены в одном диске?

Это действительно интересный вопрос. Возможно, слияния двойных звезд происходили в ограниченном регионе, который уже имел дискообразную структуру. Или же, гравитационные силы массивных объектов, таких как IRS 13, «выровняли» орбиты D-источников после их образования.

Может ли изучение D-источников помочь нам понять, как образуются звезды в экстремальных условиях?

Да, изучение D-источников предоставляет уникальную возможность для изучения процессов звездообразования вблизи сверхмассивных черных дыр. Окрестности черной дыры — это экстремальная среда с мощным гравитационным полем, интенсивным излучением и потоками частиц. Исследования D-источников могут помочь нам понять, как эти факторы влияют на образование и эволюцию звезд.