Черная дыра в центре Млечного Пути в 4,3 миллиона раз тяжелее Солнца

При помощи Очень Большого телескопа-интерферометра Европейской Южной обсерватории (VLTI ESO) получены самые глубокие и четкие на сегодняшнее снимки области вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Новые изображения, полученные с детализацией в 20 раз выше, чем достигавшаяся с VLTI прежде, позволили астрономам найти вблизи черной дыры не обнаруженную ранее звезду. Измеряя орбиты звезд в центре Млечного Пути, исследователи с самой высокой на сегодня точностью определили массу черной дыры.

«Мы хотим узнать больше о черной дыре в центре Млечного Пути — объекте Стрелец A* (Sgr A*). Какова ее точная масса? Вращается ли она? Ведут ли себя звезды в ее окрестности в точности так, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна? Лучший способ ответить на эти вопросы — отслеживать орбитальные движения звезд в близком соседстве со сверхмассивной черной дырой. И этой работой мы доказываем, что можем делать это с более высокой, чем когда бы то ни было, точностью», — рассказывает Райнхард Генцель (Reinhard Genzel), директор Института внеземной физики Общества Макса Планка, удостоенный в 2020 году Нобелевской премии за исследования объекта Стрелец A*.

В поисках всё новых и новых звезд в близкой окрестности черной дыры группа, носящая название «Коллаборация GRAVITY», разработала новый метод анализа, позволивший астрономам получить самые глубокие и детальные на сегодня изображения центра нашей Галактики. «Новые снимки с VLTI имеют невероятно высокое пространственное разрешение и большую, чем когда-либо, проницающую силу. Мы просто потрясены количеством полученных на этих снимках деталей, числом звезд, обнаруженных вокруг черной дыры», — говорит Юлия Штадлер (Julia Stadler), сотрудница Института астрофизики Общества Макса Планка, которая занималась получением и обработкой изображений. Одним из замечательных результатов, демонстрирующих эффективность разработанных методов отыскания очень слабых объектов вблизи Sgr A*, стало обнаружение не зарегистрированной ранее звезды S300.

ESO/GRAVITY collaboration

В ходе последних наблюдений, выполненных с марта по июль 2021 года, группа сосредоточилась на точных измерениях движений звезд, сближавшихся с черной дырой, в том числе приближавшейся к ней на рекордно близкое расстояние в конце мая 2021 г. звезды S29. Звезда с огромной скоростью в 8740 километров в секунду прошла от черной дыры на расстоянии всего в 13 миллиардах километров — примерно в 90 раз дальше, чем расстояние между Солнцем и Землей. Никакая другая звезда еще не наблюдалась несущейся с такой огромной скоростью на таком близком расстоянии от черной дыры.

Выполненными измерениями и полученными изображениями группа обязана уникальному приемнику GRAVITY, разработанному Коллаборацией для расположенного в Чили комплекса VLTI ESO. GRAVITY объединяет свет, собранный всеми четырьмя 8,2-метровыми телескопами, входящими в состав Очень Большого телескопа ESO (VLT), используя технику интерферометрии. Этот метод очень сложен, «но в конце концов вы получаете изображения, в 20 раз более четкие, чем те, что дают телескопы VLT по отдельности — и раскрываете секреты центра Галактики”, — говорит научный руководитель GRAVITY Франк Айзенхойер (Frank Eisenhauer).

«Отслеживание движения звезд по орбитам вблизи объекта Sgr A* позволяет нам точно измерять параметры гравитационного поля вокруг ближайшей к Земле сверхмассивной черной дыры, тестировать общую теорию относительности и определять физические параметры черной дыры», — объясняет Генцель. Новые наблюдения в сочетании с ранее полученными группой данными, подтверждают, что звезды обращаются вокруг черной дыры в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности для объекта с массой в 4,30 миллиона солнечных масс. На сегодня это наиболее точная оценка массы черной дыры в центре Млечного Пути. Исследователи также сумели уточнить и расстояние до объекта Sgr A* — 27 000 световых лет.

Чтобы получить новые изображения, астрономы использовали метод машинного обучения, называемый теорией информационного поля. Они построили модель того, как могут выглядеть реальные источники, промоделировали их возможное отображение детектором GRAVITY и сравнили полученные симуляции с реальными наблюдениями GRAVITY. Такой подход позволил с беспрецедентной проницающей силой и точностью находить и отслеживать звезды, обращающиеся вокруг объекта Sgr A*. В дополнение к наблюдениям с GRAVITY группа использовала данные, полученные с двумя прежними приемниками VLT, NACO и SINFONI, а также измерения, выполненные в обсерватории Кека и принадлежащей NOIRLab обсерватории Gemini в США.

Полученные результаты опубликованы в двух статьях в журнале Astronomy & Astrophysics (1, 2).