Когда читаешь старые статьи и мемуары известных ученых, то с удивлением осознаешь, что менее полувека назад черные дыры казались астрономам (и не только) чем-то чуть большим, чем математический трюк. Сейчас уже почти никто не сомневается, что они существуют в природе, имеют уйму астрономических проявлений и оказывают заметное влияние на многие процессы, происходящие на небе.
Дыры разные важны
место
Черная дыра
Область пространства-времени, изолированная от остальной части Вселенной горизонтом событий. С точки зрения удаленного наблюдателя, пройти через этот горизонт никогда не получится, поскольку время на этой поверхности останавливается.
Дошло до того, что если попросить астронома рассказать о черных дырах, он может попросить уточнить вопрос. Объекты эти настолько разнообразны, что ученые уже успели поделить их на отдельные классы – то ли на два типа, то ли на три, то ли на два с половиной. Точно есть черные дыры звездных масс, образующиеся в конце эволюции очень тяжелых звезд; надежных кандидатов на их роль астрономам известно несколько десятков. Похоже, есть черные дыры промежуточных масс, в сотни и тысячи раз тяжелее Солнца, хотя пока их известно немного.
И есть, наконец, самый многочисленный класс – сверхмассивные черные дыры, которые в миллионы и даже миллиарды раз массивнее нашего светила. Таких известно многие тысячи, находят их в центральных областях галактик (в том числе и в нашей — Млечном Пути). И, похоже, что они есть у всех крупных галактик (ну или почти у всех). Именно из-за них ядра многих галактик проявляют активность – например, ярко светятся в рентгеновском диапазоне, извергают огромные струи вещества, которые светят в радиодиапазоне на миллионы световых лет вокруг.
Привычка к существованию черных дыр не лишает ученых радости удивляться их свойствам. Например, когда астрономы научились измерять массы дыр в центрах далеких галактик, выявилось множество удивительных закономерностей, связывающих их свойства со свойствами галактик в целом – их строением, массой звезд, светимостью.
Яйцо не курица
Например, большинство дыр весят в 200−300 раз меньше сфероидального сгущения звезд в центре галактики. Не без исключений, конечно (например, «наша» черная дыра с массой в четыре миллиона солнечных аномально легкая для такой большой галактики, как Млечный Путь), но корреляция наблюдается довольно четкая. Каким-то образом центральное тело, которое весит меньше процента от полной массы окружающих его звезд и занимает совершенно ничтожную часть объема галактики, умудряется влиять на поведение огромного звездного коллектива.
Происхождение этой странной зависимости до сих пор остается загадкой, разрешение которой чем-то сродни задаче о примате яйца над курицей. Возможно, строение звездной сферы как-то определяет, сколько газа и звезд может поглотить черная дыра за время ее существования. Но тогда непонятно, почему соответствующие корреляции наблюдаются на протяжении всей видимой истории Вселенной, как бы глубоко мы ни заглядывали в прошлое нашего мира.
Возможно, наоборот, черная дыра как-то ограничивает рост звездного населения – например, выметая газ, из которого рождаются звезды, из центральных областей галактики. В принципе, черные дыры, когда пожирают вещество, и вправду выделяют огромное количество энергии – газ, прежде чем быть проглоченным, разгоняется до огромных скоростей и разогревается до гигантских температур. Но эта энергия выделяется в виде света, так что ее влияние на газ может быть не прямым, а опосредованным (например, она может греть газ и тем самым затруднять сжатие отдельных облаков в звезды). А может и напрямую – например, превращаясь в механическое движение газа.
Разреженное бегство
Астрономам из Великобритании, США и Франции удалось разглядеть прямое свидетельство глобального движения газа в очень далекой галактике, свет от которой шел к нам десять миллиардов лет – с эпохи, когда Вселенная была в три раза меньше, чем сейчас. Ученые смогли заметить движение огромной массы разреженного газа, охватившего всю галактику SMM J1237+6203, расположенную в направлении созвездия Большой Медведицы.
Внимательно изучив данные, полученные с помощью панорамного спектрографа NIFS на гавайском 8−метровом телескопе Gemini, ученые выяснили, что галактика умудрилась передать окружающему ее газу порядка 1059 эрг энергии. Соответствующая оценка приведена в статье, опубликованной в британском Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и доступной в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.
спектр
Запрещенные линии
Линия [OIII] 500,7 нм относится к так называемым «запрещенным» линиям. В лабораторных условиях ее никогда не видно, потому что соответствующий атомный переход с возбужденного состояния в основное имеет очень большое время жизни. В земных лабораториях, даже в условиях относительно высокого вакуума, случайные столкновения атомов, ионов и электронов друг с другом успевают снять это возбуждение прежде, чем ион «созреет» для излучения кванта света самостоятельно. А вот в космосе, где плотность гораздо ниже, такие переходы наблюдаются – и очень помогают астрономам в диагностике физических условий в газе.
При этом ученые уверены, что речь идет именно о движении огромной массы очень разреженного газа, захватившем всю галактику, а не о каких-то массивных и плотных облаках, которые могли бы выглядеть так же. Дело в том, что данные свои исследователи основали на изучении зеленой линии дважды ионизированного кислорода [OIII] на длине волны 500,7 нм (которая, впрочем, к моменту регистрации ее телескопом удлинилась втрое за счет расширения Вселенной за время путешествия света). Такое излучение возникает только при очень низкой плотности.
Против силы тяжести
1059 эрг – это безумно большая величина, эквивалентная взрыву миллиардов сверхновых или миллиардов триллионов триллионов суммарных ядерных потенциалов всех стран Земли. Но что самое примечательное – данная энергия очень близка к гравитационной энергии всей сфероидальной компоненты далекой галактики. А значит, какие-то процессы в центральной части галактики и впрямь способны противостоять огромной силе взаимного тяготения составляющих ее газа, звезд и всего прочего.
«Получается, что галактика управляет своим собственным ростом, не позволяя рождаться новым звездам, – говорит ведущий автор статьи Дейв Александр из британского университета Дарема. – Теоретики давно предсказывали что-то подобное, но лишь теперь нам удалось запечатлеть эту деятельность «живьем». Мы полагаем, что такие гигантские истечения вещества останавливали в далеком прошлом Вселенной рост многих галактик».
Впрочем, из работы напрямую не следует, что разгоняет эти течения центральная черная дыра, как того бы хотелось многим специалистам. В принципе, ту же самую энергию могут впрыскивать в газ и взрывы многочисленных сверхновых и даже давление звездного ветра всех светил, составляющих далекую и молодую, но уже гигантскую галактику.
Правда, при измеренной энергетике этого процесса альтернативные варианты уже не кажутся особо реальными, и черная дыра теперь – главный подозреваемый. Если, конечно, мы не упускаем чего-то еще более важного; в науке такое иногда случается.
