Ярко-черная
В пустоте космоса плавает огромное облако холодного газа, неповоротливый черный лоскут на еще более черно-мрачном фоне. Затем, словно из ниоткуда, к нему устремляется тонкая струя материи. Струя врезается в облако, попутно сжимая составляющее его вещество, и вызывает шквал звездообразования, похожий на огненную бурю. Газовое облако перестает быть спящим, оно превращается в настоящую галактику. Может быть, так и рождается галактика – под действием выбросов из сверхмассивной черной дыры?
Загадка черных дыр и их взаимосвязи с галактиками занимала астрономов, начиная с середины 60-х годов XX века – с тех пор, как были открыты квазары. Размеры этих объектов невелики – они могли бы уместиться в пределах Солнечной системы, – а светимость огромна: их энерговыделение в виде света и других форм излучения может в 100 раз превышать полную светимость Млечного Пути. Такой колоссальный выход энергии из крошечного по космическим меркам объекта может давать черная дыра с массой в миллионы или даже миллиарды раз больше солнечной, если она поглощает газ и пыль из окружающего пространства. Вещество собирается в диске вокруг черной дыры и нагревается, испуская яркое излучение, по интенсивности превосходящее другие известные источники. Наряду с квазарами, известны и другие типы активных галактических ядер, такие как радиогалактики и сейфертовские галактики; они светят не так ярко, но тоже отличаются довольно высокой светимостью. Видимо, они также являются результатом активной «подпитки» черных дыр.
Раньше астрономы считали, что сверхмассивные черные дыры встречаются только в таких, довольно редких активных галактиках, – то есть они, конечно, интересны, но вряд ли имеют большое значение для всего огромного космоса. Однако эту точку зрения пришлось пересмотреть, когда выяснилось, что большинство галактик – если не все – содержат сверхмассивные черные дыры. Тот факт, что мы их не замечаем, объясняется недостатком горючего. Именно поэтому в большинстве галактик, и в нашей в том числе, черные дыры дремлют – им просто нечего переваривать.
Существует четкая связь между этими объектами и их родительскими галактиками. В спиральных галактиках есть центральные утолщения, называемые «балджами», состоящие из наиболее старых звезд. Такой балдж обычно примерно в 1000 раз массивнее черной дыры, приютившейся в его сердцевине. Такие же оценки справедливы и для эллиптических галактик, которые по сути являются просто балджами. Масса черной дыры находится в прямо пропорциональной зависимости от массы балджа. Еще одно доказательство существования связи между ними: пик звездообразования и активности квазаров пришелся примерно на одно и то же время, от 8 до 10 миллиардов лет тому назад.
Даже если черная дыра – сверхмассивная, все равно она намного легче остальной галактики, поэтому дыра не может иметь большого влияния на нее. Возможно, сначала образуется балдж, а затем черная дыра вырастает до размера, определяемого балджем? Однако черная дыра может набрать лишний вес. Некоторые теоретики полагают, что балджи и черные дыры растут синхронно, и когда черная дыра в конце концов становится достаточно большой, ветер и излучение, испускаемые ее диском, выдувают лишний газ, устанавливая ограничение на размер балджа.
Но события могут развиваться и по иному, более радикальному сценарию. Во многих активных галактиках черные дыры выбрасывают материю в виде двух противоположно направленных, нитевидных джетов (см. главу 8). Эти струи могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света, а потом вырваться из своей галактики и предпринять вояж на миллионы световых лет в глубь межгалактического пространства.
В 2009 году команда во главе с Давидом Эльбазом из французской Комиссии по атомной энергии (Сакле, Франция) сообщила о результатах исследования необычного квазара HE0450-2958 с джетами, расположенного на расстоянии пяти миллиардов световых лет от нас. HE0450-2958 называют «голым» квазаром, и это единственный квазар такого рода – он представляет собой одну сверхмассивную черную дыру без окружающей ее галактики.
С помощью инфракрасного оборудования, установленного на Очень большом телескопе (ОБТ) в Чили, ученые сделали потрясающее открытие. Джеты, выпущенные квазаром, как лазерные лучи пронзили пространство и вонзились в молодую галактику, удаленную от квазара на расстояние 23 000 световых лет. В этой галактике происходит интенсивный процесс звездообразования. Скорость появления ярких звезд в ней эквивалентна 350 солнцам в год, что в сто раз больше, чем можно было бы ожидать для галактик в этой области.
Ученые предположили, что джет от квазара послужил причиной возникновения новой галактики. При этом сам объект HE0450-2958 вначале представлял собой сверхмассивную черную дыру, которая втягивала газ из межгалактического пространства, пока не стала квазаром. Масса квазара продолжала расти, а затем в его жизни наступил критический момент, когда с двух противоположных сторон появились направленные струи вещества – так называемые джеты (см. рис. 9.1). Это произошло примерно 200 миллионов лет назад. Один из джетов встретил на своем пути газовое облако. Возникли ударные волны, которые начали распространяться через газ и послужили причиной звездообразования. Так возникла новая галактика. Это радикальное отступление от стандартной теории формирования галактик, в которой считается, что галактики появились первыми, а сверхмассивные черные дыры образовались в них потом.
Ученые понимали, что их идея вызовет бурную полемику, поэтому они стали искать другое объяснение связи между квазаром и галактикой. Вначале они предположили, что какая-то сила просто вытолкнула квазар HE0450-2958 из галактики. Моделирование процесса слияния двух галактик в одну свидетельствовало о том, что их центральные черные дыры могут рикошетом отлететь друг от друга, а одна – даже улететь в межгалактическое пространство. Однако тогда получается странное совпадение – квазар был выброшен в том же направлении, что и одна из его струй. Кроме того, нет никаких свидетельств о том, что за последние несколько сотен миллионов лет здесь происходило слияние галактик. И, чтобы вырваться из такой большой галактики, как та, о которой идет речь (а это примерно масса нашего Млечного Пути), квазар нужно было толкнуть с такой силой, чтобы он развил скорость 500 км/с. Но он движется гораздо медленней. При такой низкой скорости квазар в конечном итоге упадет в галактику, которую он же, по-видимому, и создал, чтобы занять подобающее ему место в центре галактики.
Рис. 9.1. Что было вначале: галактика или черная дыра?
Некоторые квазары наблюдаются немного в стороне от холодных газовых облаков, состоящих из оксида углерода. Возможно, на примере этих квазаров мы видим стадию, предшествующую звездообразованию. Косвенным образом это подтверждает гипотезу Эльбаза о том, что еще до образования галактик в космосе была эпоха сверхмассивных черных дыр – их масса росла, они стали владыками Вселенной, а уж потом от них произошли галактики.
И если это так, то откуда же появились сами черные дыры? Наблюдения квазаров свидетельствуют о том, что гигантские черные дыры с массами 10 миллиардов солнечных масс образовались в течение миллиарда лет после Большого взрыва. В течение многих лет астрофизики ломали голову над тем, как они смогли так быстро вырасти в таких гигантов.
Один сценарий роста предусматривал, что они выросли из «маленьких» черных дыр звездной массы, образующихся при коллапсе звезд в конце их эволюции. В сверхплотном звездном скоплении некоторые из этих черных дыр могли объединиться и создать одну огромную дыру, которая продолжала расти, подпитываясь газом. Но критики этой идеи справедливо указывают, что в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва и слияния черных дыр звездной массы у черных дыр просто не хватило бы времени вырасти во что-то достаточно большое.
Альтернативная гипотеза – образование сверхмассивных звезд. Если бы такая звезда когда-либо вздумала сформироваться, она не смогла бы просуществовать долго – тепла, генерируемого термоядерными реакциями в ее ядре, было бы недостаточно, чтобы противостоять силам гравитации, пытающимся ее раздавить. Такой объект неминуемо и сразу сколлапсировал бы, приведя к образованию черной дыры. Митчелл Бегельман из Университета Колорадо в Боулдере (США) детально изучил эту картину. Согласно его расчетам, зерно сверхмассивной черной дыры может сформироваться внутри сверхмассивной звезды. Затем внешние слои этой причудливой звезды взрываются и обнажают черную дыру, скрытую внутри. Чтобы доказать или опровергнуть эту идею, нам придется дождаться появления следующего поколения телескопов.
