Чёрная дыра или ядро тёмной материи: что находится в центре Галактики?
Общепринятая теория говорит, что в сердце нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A* (Sgr A*). Её масса составляет около четырёх миллионов масс Солнца, и вокруг неё вращаются звёзды так называемого S-кластера. Однако некоторые наблюдения указывают на противоречия в этой стандартной модели. Астрофизики предлагают смелую альтернативу: в центре Млечного Пути находится не пугающая сингулярность, а гигантский шар из тёмной материи.
Аномалия облака G2
В 2011 году астрономы заметили газовое облако массой в три земных, которое неслось прямо к центру Галактики. Объект получил название G2. Это был идеальный шанс увидеть, как чёрная дыра «питается» в реальном времени.
Ожидание: космические спагетти
Учёные предсказывали катастрофу. Гравитация чёрной дыры должна была растянуть облако в тонкую нить — этот процесс называется спагеттификацией. Часть газа должна была упасть на дыру, разогреться и вызвать мощную вспышку рентгеновского и радиоизлучения.
Реальность: тихий пролёт
В 2014 году G2 прошла точку максимального сближения — перицентр. И ничего не случилось. Облако не разорвало, оно сохранило свою компактность и полетело дальше. Чёрная дыра хранила молчание: никаких вспышек активности зафиксировано не было.
Траектория движения облака G2
Это событие называли «космическим фиаско» стандартной модели. Однако, в 2021 году астрономы получили доказательства того, что облако G2 является тройной звездной системой в процессе слияния. Но есть и более фундаментальное объяснение.
Гипотеза Раффини-Аргуэльеса
Группа учёных предложила модель RAR (Руффини-Аргуэльеса-Руэды). Согласно ей, центр Галактики занят плотным ядром из частиц тёмной материи, которые назвали «даркино».
Даркино — это нейтральные частицы с полуцелым спином, которые называют фермионами. Они подчиняются принципу запрета Паули: две одинаковые частицы не могут находиться в одном состоянии. Это создаёт мощное квантовое давление, которое не даёт ядру схлопнуться в точку, даже под действием чудовищной гравитации.
Такой объект устроен сложнее, чем чёрная дыра. У него есть три зоны:
- Сверхплотная центральная часть, называемая квантовое ядро
- Промежуточный слой — атмосфера, — где плотность плавно снижается.
- Разреженная внешняя оболочка — гало, — простирающаяся на тысячи световых лет.
Билет в один конец: что вы увидите и почувствуете, падая в чёрную дыру
Как это объясняет выживание G2?
В отличие от чёрной дыры, у ядра из даркино нет горизонта событий — границы, из-за которой не возвращается даже свет. У него есть «мягкая» поверхность и атмосфера. Когда облако G2 подлетело к центру, оно попало не в зону смертельных приливных сил сингулярности, а в плотную атмосферу из частиц тёмной материи.
Приливные силы были слабее, поэтому облако не разорвало на части. К тому же, после пролёта G2 замедлилось сильнее, чем ожидалось. В новой модели это объясняется простым трением облака о плотную среду частиц даркино.
Математические расчёты подтверждают это: модель с тёмной материей описывает движение G2 статистически намного точнее, чем модель чёрной дыры.
Звёзды S-кластера
Главный аргумент сторонников чёрной дыры — движение звезды S2. Она разгоняется до нескольких процентов от скорости света, совершая полный оборот вокруг центра галактики за 16 лет.
Движение звезды S2 в представлении художника
Однако расчёты 2020 года показали удивительную вещь. Если подобрать массу частиц даркино правильно (около 56 кэВ), то орбита S2 в модели тёмной материи практически не отличается от орбиты вокруг чёрной дыры. Разница составляет менее одного процента.
То есть, звезда S2 доказывает лишь наличие в центре компактной массы, но не уточняет её природу. Это может быть как сингулярность, так и плотный шар из фермионов.
Фото центра галактики: где подвох?
В 2022 году Телескоп горизонта событий (EHT) получил изображение Стрельца A* — тёмное пятно в кольце света. Все решили, что это тень чёрной дыры.
Но физика допускает варианты. Сверхплотное ядро из даркино тоже способно искривлять свет. Оно создаёт эффект гравитационного линзирования, формируя «депрессию яркости» в центре, которая внешне очень похожа на тень чёрной дыры. Расчётный размер этой тени идеально совпадает с тем, что сфотографировал телескоп EHT.
Изображение тени чёрной дыры Стрелец A*, полученное в радиодиапазоне при помощи Телескопа горизонта событий
Как их различить? У чёрной дыры должно быть фотонное кольцо — тонкая и резкая линия света у самого края тени. У ядра из тёмной материи такой резкой границы нет, так как нет горизонта событий. Телескопы следующего поколения (ngEHT) смогут увидеть эту разницу.
Единая теория
У стандартной астрофизической модели есть две проблемы в описании центра галактики:
- Несоответствие теоретического и реального поведения звёзд вблизи центра галактики
- Гало тёмной материи вокруг галактики, которое нужно, чтобы объяснить вращение звёзд на окраинах
Модель RAR объединяет это в одну красивую систему. Плотное ядро в центре плавно переходит в разреженное гало на периферии. Это одна и та же материя, просто в разных фазовых состояниях.
Более того, эта модель решает загадку ранней Вселенной. Астрономы видят гигантские чёрные дыры там, где Вселенной всего несколько сотен миллионов лет. По классическим законам они просто не успели бы вырасти так быстро. В новой теории всё просто: если масса ядра тёмной материи превышает критический порог, оно мгновенно схлопывается в сверхмассивную чёрную дыру.
Согласно этой модели, Стрелец A* — это «несостоявшаяся» чёрная дыра. Ему просто пока не хватило массы для коллапса, и он остаётся стабильным шаром из тёмной материи.
Заключение
Астрономия стоит на пороге смены парадигмы. Аномальная живучесть облака G2 и данные миссии Gaia намекают, что в центре Млечного Пути скрывается не мёртвая точка сингулярности, а живое, пульсирующее ядро тёмной материи.
Ближайшее десятилетие станет решающим. Новые инструменты, такие как интерферометр GRAVITY+ и телескопы ngEHT, либо найдут фотонное кольцо и подтвердят классическую теорию, либо окончательно докажут, что Вселенная куда более удивительна, чем считалось.
Может ли Большой адронный коллайдер создать чёрную дыру и поглотить Землю?