Бьющиеся сердца галактик | Норберт Вернер | TEDxBratislava

Норберт проводит астрономические исследования чёрных дыр и космических паутин.

Это выступление записано на мероприятии TEDx, независимо организованном местным сообществом с использованием формата конференций TED. Узнайте больше на http://ted.com/tedx

Я вырос в маленьком городке,

где немногочисленные яркие огни
не затмевали ночное небо,

поэтому в любую ясную безлунную ночь

я видел Млечный Путь.

Тёмное небо, усыпанное множеством звёзд,

было просто восхитительно.

Мой отец увлекался астрономией,

и он рассказал мне
о предельной скорости света.

Поэтому я знал,

что вижу Луну такой,
какой она была секунду назад,

а Солнце таким,

каким оно было восемь минут назад;

и когда я смотрю на звезды,

я вижу их такими, какими они были

десятки, сотни или тысячи лет назад.

Это было восхитительно!

Возможно, это повлияло
на моё решение стать астрофизиком.

Тогда я практически не знал,

насколько большáя Вселенная на самом деле.

Все звёзды, которые мы видим
на ночном небе,

являются частью нашей
галактики Млечный Путь.

Если бы мы могли вылететь за пределы нашей
Галактики и посмотреть на неё сверху,

она бы выглядела примерно так.

Солнце было бы где-то
в этой зоне галактического диска,

в двух третьих пути от центра.

В нашей Галактике 200 миллиардов звёзд,

из которых невооружённым глазом

можно увидеть только несколько тысяч.

Наибольшее скопление звёзд Млечного Пути

сосредоточено в балдже — центре галактики.

Именно там, в сердце нашей Галактики,

находится сверхмассивная чёрная дыра.

Чёрные дыры поистине необычные
и исключительные объекты.

Вся их масса сжата
в бесконечно малом пространстве,

окружённом границей — горизонтом событий.

Ничто во Вселенной

не может вырваться за пределы
горизонта событий.

Всё, что пересекает горизонт событий,

остаётся в чёрной дыре навсегда.

Если бы можно было сжать Землю

до размеров виноградины,

она стала бы чёрной дырой

и её горизонт событий был бы
размером с виноградину.

Уже долгое время астрофизики предполагают,

что крупнейшие звёзды Вселенной

в конце своего существования
сжимаются до чёрных дыр.

Масса подобных чёрных дыр

в несколько раз или десятков раз
превышает массу Солнца.

Масса чёрной дыры в центре нашей Галактики

в четыре миллиона раз больше массы Солнца.

Это поистине супермассивная чёрная дыра.

Чёрные дыры не просто дырки
в пространстве–времени.

Эти объекты вполне возможно обнаружить,

так как их огромная гравитация стимулирует
значительные энергетические процессы.

Когда галактический газ
падает на чёрную дыру,

он образует так называемый
аккреционный диск.

Газ в аккреционном диске падает
в чёрную дыру по спиральной траектории

и разогревается вследствие трения.

В результате диск начинает светиться.

Рядом с чёрной дырой температуры
в диске настолько высоки,

что он испускает рентгеновское излучение.

Из-за магнитных полей
в газе возле чёрной дыры

возникают ветра́ и мощные джеты,
направленные перпендикулярно к диску.

Учитывая, что ничто во Вселенной
не может покинуть горизонт событий, —

который здесь показан
в виде чёрной сферы, —

чёрные дыры, по сути,

представляют собой машины

для преобразования массы
попадающей туда материи

в тепло, радиацию и разные выбросы.

Примечательно, что гравитация чёрных дыр

преобразует массу в энергию эффективнее,

чем термоядерные реакции, питающие звёзды.

Лучшее из доступных
на сегодняшний день доказательств

присутствия супермассивной чёрной дыры
в центре нашей Галактики

исходит из наблюдений за движением звёзд

в центре Млечного Пути.

Здесь показаны орбиты звёзд
в самом центре нашей Галактики

в период с 1995 по 2010 годы.

Смотри́те: звезда,
отмеченная здесь как SO2,

за это время совершила полный виток.

А вот эта звезда движется
по сильно вытянутой орбите.

Орбиты звёзд в самом
центре нашей Галактики

совершенно точно доказывают,
что там находится масса

в четыре миллиона раз больше массы Солнца,

сжатая в пространстве

радиусом меньше орбиты Нептуна.

Единственный объект, который
может обладать такими свойствами, —

это супермассивная чёрная дыра.

Две группы астрономов работали над этим,

наблюдали за движением звёзд
вокруг центра нашей Галактики.

Первая, европейская, группа использовала
огромные телескопы в Чили.

Вторая группа — американская — работала
с телескопами Keck на Гавайях.

Они создали данное изображение.

Млечный Путь — не единственная
галактика во Вселенной.

Астрономы, работающие
с космическим телескопом Хаббл,

направили эту космическую обсерваторию на,
казалось бы, пустое пространство в небе.

Площадь этого небесного пространства

была в сто раз меньше поверхности,
покрываемой полной Луной.

Они нацелили космический телескоп
на эту зону на несколько недель.

В результате мы получили
самый удивительный снимок

из когда-либо сделанных человеком.

На этом снимке мы видим 10 тысяч галактик.

10 тысяч галактик!

В сердце каждой из них находится
супермассивная чёрная дыра.

Что интересно, чем больше галактика,

тем больше чёрная дыра в её сердце.

Получается, чёрные дыры и галактики
каким-то образом развиваются рука об руку.

Они влияют на рост друг друга.

Сейчас, глядя на этот снимок,
мы действительно смотрим в прошлое.

Мы смотрим на границу
наблюдаемой Вселенной.

Свет самой отдалённой
на этом снимке галактики

шёл до нас более 13 миллиардов лет.

Если увеличить масштаб
этого снимка до размеров неба,

мы обнаружим, что наблюдаемая Вселенная
содержит 200 миллиардов галактик.

Однако эти галактики распределены
во Вселенной неравномерно.

Это карта галактик, составленная проектом
«Слоановский цифровой небесный обзор».

Каждой точке на этом снимке
соответствует галактика.

Как видите, галактики

образуют во Вселенной
нитевидную структуру,

которую мы называем космической паутиной.

Если вы присмотритесь,

то увидите на пересечениях отдельных нитей

очень высокую плотность точек.

Это наиболее заполненные
области Вселенной.

Мы называем их скоплениями галактик.

Если посмотреть на скопление галактик
через оптический телескоп,

можно увидеть множество галактик,
очень плотно прижатых друг к другу.

Но все эти видимые галактики —
лишь верхушка айсберга.

Бо́льшая часть обычной материи —
материи, состоящей из атомов, —

в скоплениях галактик
находится в форме раскалённого газа,

настолько горячего, что он испускает
рентгеновское излучение.

Это составное изображение.

На нём мы видим свет
отдельных скоплений галактик.

Этот розоватый, лиловатый оттенок —
рентгеновское излучение горячего газа,

который заполняет
межгалактическое пространство.

Возможно, рассматривая
предыдущие снимки, вы думали,

что Вселенная, должно быть,
преуспевает в создании галактик,

поскольку их очень много.

Но это не так.

Звёзды и планеты составляют

лишь десятую долю обычного
вещества во Вселенной.

Остальная часть находится форме газа
в межгалактическом пространстве.

Так что Вселенная формирует
звёзды не очень эффективно.

На рентгеновском снимке
этого скопления галактик

видно, что его центр очень яркий.

Яркость ему придаёт относительно
высокая плотность газа.

С точки зрения элементарной физики

этот газ должен был бы формировать

по тысяче звёзд за год.

Однако крупнейшие
галактики во Вселенной,

расположенные в центре
галактических скоплений, —

например, М87 в центре скопления Девы, —

всё равно в 10 раз меньше, чем мы ожидали,

и в них однозначно не формируется
по несколько тысяч звёзд каждый год.

Почему так происходит?

Мы можем получить намёк на ответ,

если посмотрим в самый центр,
в сердце этой галактики.

Мы видим там полярное струйное
течение, или джет.

Этот джет выходит из супермассивной
чёрной дыры в центре,

составляет 4 500 световых лет в длину

и обладает огромной энергией.

Он состоит из сверхгорячей плазмы,

частицы которой движутся со скоростью
близкой к скорости света.

Сейчас с помощью компьютерной анимации

я продемонстрирую, как этот джет
взаимодействует с окружающим газом.

Вы можете наблюдать, как джет

раздувает пузыри в окружающем газе.

По мере того, как он выдувает эти пузыри,

он порождает ударные волны
в окружающей среде.

Это рентгеновский снимок горячего газа

в центре скопления Девы.

Мы ожидали, что из этого газа
будут формироваться звёзды.

На этом снимке вы видите тёмные пузыри.

Они тёмные, потому что
сверхгорячая плазма джетов

вытеснила газ из этих пузырей,

и поскольку они заполнены
сверхгорячей плазмой,

пузыри стремительно поднимаются
в атмосфере скопления.

Поднимаясь, они вытесняют газ.

Этот газ сформировал бы звёзды,
если бы остался нетронутым.

Замещая газ,

они отодвигают наиболее плотный газ
от центра скопления,

от центра крупнейшей галактики
в центре скопления.

Как вы можете видеть,
существуют вот эти пузыри,

но также есть и другие пузыри,

таким образом, существуют
два разных поколения пузырей.

И если вы присмотритесь очень внимательно,

то, возможно, вы даже увидите
рябь на этом снимке.

Это рябь от ударных волн,

созданных струёй
в процессе выдувания пузырей.

Эти ударные волны нагревают газ.

Как видите, эти взрывы —
повторяющийся процесс.

Мы видим два поколения пузырей
и несколько поколений ряби.

А если это повторяющийся процесс,

то супермассивные чёрные дыры —
это бьющиеся сердца

в центрах галактик, регулирующие их рост.

Другой замечательный пример этого процесса

можно наблюдать в галактике M87.

Справа на этом слайде
находится радиоизображение,

на котором видна
сверхгорячая плазма джетов.

Посмотрите на это облако, похожее на гриб.

Это сверхгорячая плазма,

поднимающаяся в атмосфере скопления.

Слева на слайде вы видите

рентгеновский снимок, который
показывает газ в скоплении галактик.

Вы видите, что похожее на гриб облако

утаскивает газ из галактики M87.

Этот газ сформировал бы звёзды
в центре скопления галактик,

если бы остался нетронутым.

Физика этого процесса

довольна схожа с некоторыми
процессами на Земле.

На видео вулкан в Исландии
с непроизносимым названием,

и мы видим,

как горячий газ, прорываясь через лаву,

порождает ударные волны
в окружающей среде.

Затем он стремительно поднимается
и выбрасывает тёмный пепел

со дна вулкана в атмосферу.

Посмотрите внимательно ещё раз:

вы видите ударные волны,

за ними следует стремительный
подъём горячего газа,

который выбрасывает тёмный пепел

из вулкана в атмосферу,
формируя облако в форме гриба.

Однако процессы, которые мы наблюдаем

в скоплениях Персея или Девы,

далеко не такие радикальные.

Недавно астрономы обнаружили
скопление галактик,

в котором есть пузыри

размером в 600 тысяч световых лет.

600 тысяч световых лет —

это в шесть раз больше,
чем диск галактики Млечный Путь.

Энергия этого объекта

сопоставима с одновременным взрывом
10 миллиардов сверхновых.

10 миллиардов одновременно
взрывающихся звёзд.

На этом изображении синим цветом
показан газ в скоплении галактик,

красному цвету соответствует сверхгорячая
плазма струй, исходящих из чёрных дыр.

Только задумайтесь:
чёрная дыра, размер которой

по сравнению со скоплением галактик,

как ягода черники по сравнению с Землёй,

контролирует рост и развитие
скопления галактик.

Это потрясающе.

Таким образом, чёрные дыры —

бьющиеся сердца галактик,

контролирующие их жизнь.

Эти сердца бьются не очень часто,
примерно раз в 100 миллионов лет,

но они бьются действительно сильно,

и эти сердцебиения слышны
сквозь Вселенную.

Спасибо.

(Аплодисменты)