Сверхмассивные черные дыры
В центре большинства галактик скрывается чудище — черная дыра. Сверхмассивные черные дыры в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца, но сжаты примерно до размеров Солнечной системы и влияют на рост галактик. Размер черной дыры соотносится с размером балджа галактики, а это значит, что черные дыры — фундаментальные компоненты, и если они активизируются при столкновении галактик, то могут вызвать в них гигантскую вспышку энергии.
Еще с 1960-х годов, со времени открытия квазаров и активных галактических ядер, астрономы знали: в центрах галактик могут существовать гигантские черные дыры в миллионы или миллиарды массивнее одиночной звезды. В последнее десятилетие стало ясно, что черная дыра может таиться в любой галактике. В большинстве случаев черные дыры — спящие, в некоторых случаях они вспыхивают, когда в них вливается материя, пример тому — квазары.
Понять, есть ли черная дыра в центре галактики, можно несколькими способами. Первый — посмотреть на движения звезд вблизи ядра галактики. Звезды движутся по орбитам вокруг центра масс галактики, подобно планетам Солнечной системы и Солнцу. Их орбиты также следуют законам Кеплера: звезды ближе к центру галактики движутся по своим эллиптическим орбитам быстрее, чем те, что ближе к периферии. Средние скорости звезд показывают, сколько массы находится в центре. Чем ближе к центру удается произвести измерения, тем точнее можно прикинуть количество и величину массы, находящейся в пределах орбит внутренних звезд. Астрономы обнаружили, что звезды в центрах большинства галактик движутся слишком быстро, чтобы это объяснялось исключительно влиянием других звезд, газа и темной материи. Это очевидно при взгляде на доплеровские смещения спектральных линий от таких внутренних звезд. Быстрые движения звезд предполагают гигантские черные дыры в сердце галактики — в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца и сжатые до размеров Солнечной системы.
Центр нашей Галактики
У Млечного Пути в центре черная дыра. Центр Галактики лежит в созвездии Стрельца, вблизи радиоисточника Стрелец А. Астрономы проследили траектории десятков звезд вблизи него и из их движений извлекли явные свидетельства скрытой черной дыры. Больше десятилетия звезды движутся по своим орбитам, но, приближаясь к месту, где предположительно скрывается черная дыра, они резко проносятся вокруг этой точки, и их отбрасывает по вытянутым траекториям. Некоторые кометы в нашей Солнечной системе движутся по похожим крутым орбитам, проносясь мимо Солнца и замедляясь на ледяных окраинах Солнечной системы. Звезды центра Галактики показывают, что в сердцевине Млечного Пути есть нечто тяжелое, компактное и невидимое, с массой в четыре миллиона раз больше массы Солнца. Это нечто — сверхмассивная черная дыра.
Похожим образом радиоастрономы измеряют скорости ярких источников, населяющих центральные области галактик, — например, водяных мазеров: они испускают сильные радиоволны из-за возбуждения молекул воды. В нескольких галактиках существование массивной, компактной черной дыры было выявлено по вычисленным скоростям мазеров, которые подчиняются законам Кеплера.
Соотношение балджа и массы
До 2000 года сверхмассивные черные дыры в галактиках считались явлением необычным. В активных галактиках они явно присутствовали, были они и в некоторых неактивных, но на них обращали мало внимания. Все изменилось, когда астрономы смогли лучше разглядеть центры галактик через новые мощные телескопы и возникли методики определения скоростей звезд вблизи галактических центров. Скоро стало ясно, что черные дыры есть в любой галактике. Более того, масса черной дыры пропорциональна массе балджа галактики, в которой она расположена. Таков вывод из исследования сотен галактик, в котором астрономы измерили разброс скоростей звезд в центрах галактик, что указывает на массу в центре, и нанесли эти точки на график относительно массы балджа. Получилась корреляция практически один к одному.
Ученых эта явная тенденция изумила. Она не зависела от типа галактики, оставаясь верной и для эллиптических, и для спиральных. Это породило новые вопросы о соотношении разных классов галактик, упорядоченных в камертонную последовательность Хаббла. Балджи и эллиптические галактики не только были похожи по цвету и возрасту звезд в них — новая корреляция подсказывала, что эти структуры могли и сформироваться похожим образом. Казалось, диски и в самом деле были дополнительными элементами, которые можно заполучить или уничтожить, в зависимости от везения галактики при взаимодействии с другими.
Пропорции тоже удивительны: массы этих черных дыр все же составляют малую долю — менее 1 % — общей массы галактики. Следовательно, черная дыра не влияет на более широкое гравитационное поле галактики как таковое, но заметна лишь в ее непосредственной окрестности. Она как черная жемчужина в сердце галактики.
«[Черная дыра] учит нас, что космос можно смять, как листок бумаги, в крошечный комочек, что время может иссякнуть, как догоревший огонь, и что законы физики, которые мы почитаем как «священные», как неизменные, — совсем не таковы» Джон Уилер, «Геоны, черные дыры и квантовая пена: жизнь в физике» (2000)
Зародыши или останки?
Как могли сформироваться сверхмассивные черные дыры? Мы знаем, что маленькие черные дыры могут появиться, когда в конце своего жизненного цикла схлопываются массивные звезды: когда звезда прекращает гореть, она не может больше противостоять собственному тяготению и сжимается в плотную оболочку. Но как это происходит в масштабах в миллионы раз больших? Вероятно, сверхмассивные дыры — это останки первых звезд. Самые ранние звезды, возможно, были очень крупными и жили недолго, а потому быстро выдыхались и схлопывались. Скопление таких звезд могло стянуться воедино и образовать гигантскую черную дыру. Другой вариант — черные дыры в центрах галактик могли предшествовать звездам и, возможно, существовали во время или вскоре после рождения Вселенной. Не исключено, что черные дыры — зародыши галактик. Астрономы не знают ответа. Следующий вопрос — как черные дыры увеличиваются в размерах? Астрономы считают, что галактики растут через слияния, то есть поглощая меньшие и врезаясь в большие галактики. Но немного мы знаем галактик с явными двойными или множественными черными дырами внутри — даже в тех случаях, когда слияние произошло недавно. Это наводит на мысль, что центральные черные дыры быстро срастаются, но математические и компьютерные симуляции свидетельствуют об обратном. Поскольку черные дыры чрезвычайно плотны и сжаты, они ведут себя подобно бильярдным шарам, а не пластилину. И потому, если их столкнуть друг с другом, они скорее отскочат друг от друга, чем слипнутся. Это различие между теорией черных дыр и фактическими наблюдениями до сих пор остается большой загадкой.
Обратная связь
Предположим, можно вырастить черную дыру постепенно, чтобы ее масса увеличивалась пропорционально массе балджа, в котором она расположена. Как черные дыры могут повлиять на галактику? Мы знаем, что, по крайней мере, в 10% галактик центральные черные дыры активны, поскольку видим их как активные галактические ядра. Похоже, черные дыры проходят фазы активности и спячки. В среднем они должны проявлять активность, накопив газ, примерно 10% времени жизни галактики. На квазары явно влияют получающиеся в результате высокоэнергетические вспышки: вблизи черной дыры, пока в нее течет материя, генерируются мощные потоки ионизированного газа, излучения и иногда — радиоизлучающих частиц. Может, все галактики прошли подобные активные фазы?
Астрономы считают, что да. Они подозревают, что черные дыры следуют циклам активации вслед за столкновениями галактик. Слияния кормят черную дыру, привнося новые ресурсы газа из другой галактики. Затем просыпается чудище черной дыры — яростно пылает рентгеновскими лучами, изрыгает жар и потоки частиц. Накопление газа также запускает формирование новых звезд, и галактика претерпевает заметные изменения. Постепенно запас газа иссякает, черная дыра истощается и выключается. Затем галактика возвращается в неактивное состояние — до следующего слияния. Сверхмассивные черные дыры могут быть, по сути, термостатами, регулирующими рост галактик.