Космический маяк рядом со сверхмассивной черной дырой

В центре галактики Млечный Путь, примерно в двадцати шести тысячах световых лет от Земли, находится Стрелец A* — сверхмассивная черная дыра с массой четырех миллионов солнц. Это один из наиболее изученных объектов современной астрофизики, но область вокруг него продолжает преподносить сюрпризы. Последний приходит от исследователей из Columbia University и проекта Breakthrough Listen, которые идентифицировали кандидата в пульсары, вращающиеся с необычайной скоростью в непосредственной близости от центральной черной дыры нашей галактики.

Обнаружение, опубликованное в The Astrophysical Journal, описывает кандидата в пульсары с периодом 8,19 миллисекунды, что означает, что если подтверждается, эта нейтронная звезда будет совершать полный оборот примерно 122 раза в секунду. Пульсары являются сверхплотными остатками массивных звезд, которые закончили свою жизнь в сверхновых взрывах, сжимая оставшуюся массу в сферу всего около двадцати километров в диаметре при одновременном создании интенсивных магнитных полей и испускании сфокусированных пучков радиоволн, которые проходят через космос, как луч маяка.

Обнаружение такого объекта так близко к Стрельцу A* было целью радиоастрономии на протяжении десятилетий, и это обнаружение может стать поворотным моментом в нашем понимании ядра нашей галактики и фундаментальной физики, управляющей пространством и временем.

Обзор центра галактики Breakthrough Listen

Открытие появилось из Обзора центра галактики Breakthrough Listen, одного из наиболее чувствительных радиопоисков пульсаров, когда-либо проводимых в динамически сложной центральной области Млечного Пути. Breakthrough Listen, научно-исследовательская программа, направленная на поиск доказательств цивилизаций за пределами Земли, переориентировала некоторые из своих необычайных наблюдательных возможностей на исследование центра галактики в поисках быстро вращающихся нейтронных звезд.

Центр галактики — исключительно сложная среда для радионаблюдений. Межзвездный газ и пыль рассеивают радиоволны, явление, известное как уширение рассеяния, которое размывает точные временные сигнатуры, определяющие пульсары. Кроме того, интенсивная гравитационная среда рядом со Стрельцом A* вводит релятивистские эффекты, которые еще больше усложняют обнаружение. Эти трудности объясняют, почему, несмотря на теоретические прогнозы о том, что в этом регионе должны находиться сотни или даже тысячи пульсаров, рядом было идентифицировано только несколько кандидатов.

Команда использовала продвинутые методы обработки сигналов для подавления шума, анализируя данные из нескольких сеансов наблюдения для повышения уверенности в их обнаружении. Период 8,19 миллисекунды помещает этот объект в категорию миллисекундных пульсаров, которые являются одними из самых стабильных естественных часов во Вселенной.

Почему это важно для общей теории относительности

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, опубликованная более века назад, остается нашим лучшим описанием гравитации и геометрии пространства-времени. Она была подтверждена каждым экспериментом, разработанным для ее проверки, от изгиба света вокруг Солнца до обнаружения гравитационных волн от слияния черных дыр. Однако определенные режимы остаются малоизученными, особенно экстремальные гравитационные условия вблизи сверхмассивных черных дыр.

Пульсар, вращающийся вокруг Стрельца A*, будет функционировать как естественные точные часы, встроенные в наиболее интенсивное гравитационное поле, доступное для наблюдения. Отслеживая точное время прихода его радиопульсов на протяжении месяцев и лет, астрономы смогут измерить кривизну пространства-времени вокруг черной дыры с беспрецедентной точностью. Любое отклонение от предсказаний общей теории относительности будет указывать на новую физику, потенциально указывая на теорию квантовой гравитации, которая ускользала от физиков на протяжении десятилетий.

Точные измерения, возможные с помощью такой системы, также позволят ученым определить скорость вращения и точную массу Стрельца A* на новые уровни точности, проверить космическую гипотезу цензуры, которая утверждает, что сингулярности всегда должны быть скрыты за горизонтом событий, и искать экзотические эффекты, предсказываемые альтернативными теориями гравитации.

Возможность магнитной мертвой звезды

То, что делает это конкретное обнаружение особенно интригующим, — это возможность того, что объект является не просто пульсаром, а магнетаром — нейтронной звездой с магнитным полем примерно в тысячу раз сильнее, чем у обычного пульсара. Магнетары являются одними из самых экстремальных объектов во известной вселенной и способны производить вспышки рентгеновского и гамма-излучения достаточно мощные, чтобы быть обнаруженными на галактическом масштабе.

Центр галактики уже известен тем, что содержит один подтвержденный магнетар — SGR J1745-2900, обнаруженный в 2013 году. Возможное присутствие второй магнитной нейтронной звезды в этом регионе вызывает вопросы о формировании и сохранении этих объектов в экстремальной приливной среде рядом со сверхмассивной черной дырой. Понимание того, как магнетары формируются и существуют рядом со Стрельцом A*, может предоставить информацию о динамике звездного населения галактических ядер — области с последствиями для понимания эволюции галактик во всей Вселенной.

Если кандидат действительно является магнетаром, его высокая скорость вращения поместит его среди самых быстро вращающихся магнетаров из когда-либо обнаруженных, добавляя еще один слой научного интереса к уже примечательному открытию.

Путь к подтверждению

Исследовательская группа осторожна в подчеркивании того, что это остается кандидатурой, а не подтвержденным открытием. Поиски пульсаров затруднены ложноположительными результатами от земных радиопомех, инструментальных артефактов и естественных астрофизических явлений, которые могут имитировать периодические сигналы. Экстремальная рассеивающая среда центра галактики добавляет дополнительную неопределенность.

Чтобы стимулировать максимально широкое рассмотрение, Breakthrough Listen сделал все данные наблюдений общедоступными, позволяя исследовательским группам во всем мире проводить независимый анализ. Дополнительные последующие наблюдения уже проводятся с использованием нескольких радиотелескопов с целью повторного обнаружения сигнала и более точной характеристики его свойств.

Подтверждение потребует обнаружения пульсара в нескольких независимых наблюдениях, измерения его периода с достаточной точностью для исключения альтернативных объяснений и, в идеале, наблюдения изменений в его сигнале, которые указывали бы на орбитальное движение вокруг Стрельца A*. Этот последний шаг будет наиболее ценным с научной точки зрения, так как он сразу же позволит провести тесты общей теории относительности, которые делают это открытие столь долгожданным.

Окно в самую экстремальную среду галактики

Центральный парсек Млечного Пути — один из наиболее экстремальных известных астрофизических сред. Звезды вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры со скоростью в тысячи километров в секунду. Облака горячего газа спираливаются внутрь, периодически создавая вспышки, видимые по всему электромагнитному спектру. Плотность звезд в миллионы раз выше, чем в окрестностях нашей Солнечной системы.

Понимание этой среды имеет не только локальный интерес. Сверхмассивные черные дыры находятся в центре большинства галактик, и физические процессы, происходящие рядом со Стрельцом A*, воспроизводятся в гораздо большем масштабе в активных галактических ядрах и квазарах по всей вселенной. Каждое понимание, полученное в результате изучения собственного центра нашей галактики, способствует более широкому пониманию того, как черные дыры взаимодействуют со своим окружением и формируют галактики, которые их содержат.

Подтвержденный пульсар в этом регионе обеспечит постоянный и точный зонд этих условий, предоставляя непрерывный поток данных о гравитационном поле, магнитной среде и распределении материи вблизи черной дыры. Это будет, по словам одного исследователя, подобно размещению прецизионного лабораторного инструмента на краю космической бездны.

Что дальше

Астрономическое сообщество внимательно наблюдает за этим кандидатом. Если это будет подтверждено, оно сразу же станет одним из наиболее научно ценных объектов на небе, привлекая время наблюдения радиотелескопов по всему миру. Последствия для фундаментальной физики, астрофизики и нашего понимания структуры Млечного Пути будут глубокими.

На данный момент данные анализируются, планируются дополнительные наблюдения, и научное сообщество проявляет осторожный оптимизм, характерный для лучшей науки. Млечный Путь действительно может скрывать замечательный секрет в своем центре. Работа по его подтверждению только что началась.

Данная статья основана на материалах Space.com. Прочитайте оригинальную статью.