Подробности реальной физики черных дыр вряд ли прояснятся прежде, чем мы сможем проникнуть за ее границу с нашей Вселенной, более известную как горизонт событий дыры. А вот для астрономов эти объекты за последние десятилетия стали чем-то совсем привычным, и в их существовании мало кто сомневается: теория астрофизических проявлений активности черных дыр очень хорошо согласуется с наблюдениями.
Подозрительные связи
Тем не менее и в астрофизике черных дыр достаточно загадок. Одна из них – непонятная связь между сверхмассивными дырами, которые находят в центрах большинства галактик, и самими галактиками. По какой-то причине свойства огромных звездных систем – их светимость, масса и так далее – оказываются в четкой зависимости от свойств их центральных объектов, которые составляют лишь доли процента массы галактики и вместе со всей своей «зоной влияния» занимают совершенно ничтожный по меркам галактики объем. Например, в большинстве случаев черные дыры весят примерно в 200−300 раз меньше, чем их галактики. А там, где центральных дыр нет, столько же весят плотные звездные ядра, явно выделяющиеся на фоне окружающих областей галактики.
Другая загадка – странное разбиение черных дыр на два класса. Помимо уже упомянутых сверхмассивных центрально-галактических черных дыр, масса которых может составлять от миллионов до миллиардов масс Солнца, есть еще черные дыры звездных масс. Они «весят» в десятки, максимум в сотню раз больше, чем Солнце. И считается, что образуются они после взрывов Сверхновых в конце скоротечной жизни ярких массивных звезд.
Черных дыр звездных масс в нашей Галактике, Млечном Пути, сейчас известны десятки. В реальности их гораздо больше. Эти объекты видят в основном по яркому рентгеновскому излучению, которое испускает падающий (по-ученому говорят «аккрецирующий») на черную дыру газ. Однако такой газ есть возле далеко не каждой дыры. Сверхмассивных же черных дыр астрономы знают тысячи, и более или менее принято считать, что в центре почти каждой крупной галактики есть такой объект. К примеру, масса хорошо изученной черной дыры в центре Млечного Пути составляет около 4 миллионов солнечных.
А вот черных дыр промежуточных масс – от сотен до тысяч тысяч масс Солнца – что-то особо не видно. Известно их максимум 4 штуки, а то и меньше.
Где искать середнячков
Ищут ченые дыры «средних» масс двумя способами. Во-первых, если дыра светит за счет аккреции, то яркость ее тем больше, чем больше ее масса. Поэтому очень яркие – так называемые ультрамощные рентгеновские источники (ULX, Ultra-Luminous X-ray sources), светимость которых превышает максимально возможную светимость черных дыр звездных масс, считают потенциальными кандидатами в промежуточные черные дыры.
Известны несколько ULX в других галактиках, но до сих пор ни для одного такого источника нет уверенности в его физической природе – почти всегда можно предложить модель, в которой черной дыре нет места.
Другой способ поиска кандидатов в «середнячки» – искать их в центрах относительно небольших звездных систем. Если черная дыра тем меньше, чем меньше галактика, «середнячков» разумно искать в центрах галактик-карликов. Пока эти поиски не увенчались успехом, но несколько черных дыр удалось с разной степенью уверенности найти в центрах шаровых звездных скоплений. Эти компактные звездные рои состоят из тысяч, а то и миллионов звезд, и в этом соперничают с галактиками-карликами. Однако, в отличие от последних, они гораздо компактнее и считаются реликтами эпохи образования больших галактик. Состоят шаровые скопления почти исключительно из старых звезд и движутся по орбитам, характерным для звезд-долгожителей.
В центре роя роятся быстрее
В 2002 году ученые объявили об обнаружении черных дыр промежуточных масс в центрах двух шаровых скоплений. Первым стало скопление М15 («Месье 15», по номеру в каталоге астронома XVIII века Шарля Месье), расположенное в нашей Галактике в направлении на созвездие Пегаса. Вторым – гигантское шаровое скопление G1 (оно же Mayall II) в соседней с нами галактике Туманность Андромеды (М31).
Даже самую большую черную дыру разглядеть в телескоп пока нельзя. И дело даже не в том, что она «черная» и не светится – в конце концов, можно было бы надеяться увидеть какое-то черное пятно, своего рода «тень» дыры. Однако размер этой тени очень невелик, и ищут дыры динамическим способом, по гравитационному влиянию, которое они оказывают на близлежащие светила.
Например, чтобы найти черную дыру в центре яркого звездного роя, авторы обеих упомянутых выше работ проследили, как меняется типичная скорость «роения» звезд вдоль радиуса скоплений. В обоих случаях она росла к центру быстрей, чем предсказывали расчеты, и для согласования теории и наблюдений оставалось два варианта – наличие маленького, но очень массивного объекта в центре скопления или сильная анизотропия (в каком-то смысле искривленность) звездных орбит.
Второй вариант тоже приводит к чрезмерному увеличению скорости в центре, так как на вытянутых орбитах звезды движутся быстрее именно рядом с центром траекторий.
Однако анизотропия для устойчивого скопления должна быстро падать – в процессе «устаканивания» скопления траектории сильно перемешиваются. М15 – скопление до сих пор не устаканившееся, потому насчет черной дыры в его центре остаются сомнения.
А в случае с G1 астрономы уверены – в его центре находится компактный темный объект, который примерно в 10 тысяч раз тяжелее Солнца. Предположение, что этот объект – плотная группа «звездных трупов» вроде маленьких черных дыр, нейтронных звезд или холодных белых карликов, большинству ученых кажется натянутым, и принято считать, что это та самая черная дыра промежуточных масс.
Дыра осталась от галактики
После того, как дыру удалось найти в крупнейшем скоплении Туманности Андромеды — G1, астрономы попробовали повторить успех с самым большим скоплением нашей Галактики – ω («омега») Центавра. В начале прошлого года ученые из Германии и США под руководством Эвы Нойолы объявили, что поиск дал долгожданный результат.
Все тем же способом – по измерению скоростей «роения» – астрономам удалось найти черную дыру массой 30−50 тысяч масс Солнца. Результат этот остается спорным – по другим данным, масса центрального объекта здесь не может превышать 18 тысяч солнечных масс, однако независимая обработка данных Нойолы другими учеными еще раньше снизила оценку массы в несколько раз, так что новые ограничения – не проблема.
Обнаружив дыру в центре ω Центавра, астрономы, по сути, нашли и первую черную дыру в центре карликовой галактики, пусть и бывшей. ω Центавра – очень необычное скопление. Оно исключительно крупное, самое массивное и состоит не только из старых звезд. Судя по всему, это ядро небольшой галактики, когда-то вращавшейся вокруг Млечного пути, но постепенно влившейся в него. Внешние области карлика были ободраны приливным воздействием Галактики, и на орбите осталась лишь плотная центральная часть.
Именно так по современным представлениям растут большие галактики – звезды карликовых скоплений вливаются в население гиганта, темная материя в нем вливается в общее темное гало, а черные дыры со временем оседают к самому центру, где сливаются со своей сверхмассивной напарницей. Вероятно, в прошлом эти процессы проходили очень бурно, но к настоящему моменту непоглощенными остались лишь самые далекие карлики.
Карлик в карлике
Теперь у черной дыры в ω Центавра появилась «подруга». Астрономы из Франции, Великобритании, Италии и Австралии под руководством Родриго Ибаты из Страсбургского университета нашли следы черной дыры промежуточных масс в шаровом скоплении М54. А само это скопление лежит в карликовой галактике в созвездии Стрельца, открытой тем же Ибатой 15 лет назад. Сейчас мы наблюдаем эту галактику и процесс ее поглощения Млечным путем; он начался сотни миллионов, а то и миллиарды лет назад, и, вероятно, продолжится столько же времени.
Получается что-то вроде матрешки – черная дыра в центре скопления, которое находится в центре карликовой галактики. Похоже, что события развиваются по тому же сценарию, что и с ω Центавра. Но в случае с М54 мы видим существенно более раннюю стадию процесса, когда самая внешняя оболочка этой матрешки еще до конца не содрана.
Ибата и его коллеги нашли черную дыру в М54 все тем же методом, измеряя концентрацию звезд и скорость их роения с удалением от центра скопления. При этом они использовали изображения, полученные Космическим телескопом имени Хаббла, и спектры, полученные одним из восьмиметровых гигантов наземного Очень большого телескопа VLT (Very Large Telescope). По оценкам астрономов, масса чtрной дыры в центре М54 – примерно 9 400 солнечных масс (с теми же оговорками о возможной радиальной асимметрии, которая, впрочем, в данном случае маловероятна). Более того, примерно в этом месте светит и рентгеновский источник, найденный космическим телескопом Chandra. Энергию ему вполне могла бы дать аккреция вещества из звездного ветра на черную дыру.
Как рассказал Родриго Ибата в интервью Infox.ru, две популяции звезд в центре карлика Стрельца – самой галактики и ее центрального скопления – можно разделить статистически. Анализ показывает, что М54 сформировалось где-то на окраинах карликовой галактики, затем было поглощено ей (так же, как наша Галактика теперь поглощает сам карлик) и просело к ее центру. На это указывает, в частности, анизотропия скоростей звезд самого карлика – похоже, им передался момент вращения, изначально имевшийся у шарового скопления. «Мне кажется, что тангенциальная анизотропия в центре карлика Стрельца – очень хороший признак этого сценария», — говорит французский астроном. Работа Ибаты и его коллег публикуется в номере Astrophysical Journal Letters от 10 июля.
Закон матрешек
Удивительно и то, что в этой матрешке закон о связи массы звездной системы и ее центрального объекта, похоже, работает дважды. Масса черной дыры в центре М54 составляет примерно около 0,4 – 0,5%. Однако и масса самого М54, этого компактного звездного роя в центре карлика Стрельца, составляет примерно ту же долю массы всей галактики (какой она была до приливного разрушения; эту величину можно оценить по кинематическим моделям). Похоже, какой-то закон, определяющий строение звездных систем, работает универсально хорошо как в галактиках, так и в шаровых звездных скоплениях.
Сколько света новое открытие сможет пролить на этот неведомый закон, «пока не особо ясно, — говорит Ибата. — Возможно, массивные черные дыры в центрах галактик образовались благодаря слиянию шаровых скоплений или подобных им реликтовых структур». Это могло бы объяснить статистическую связь между двумя массами. Тем не менее, это не решает вопроса об образовании черных дыр промежуточных масс в центрах самих шаровых скоплений: «сколько времени это могло занять, мне не до конца понятно», — поделился своими мыслями Ибата с Infox.ru.
Вместе с тем, ученые уверены, что дальнейшее изучение карлика в Стрельце, его центрального скопления М54 и сверхплотного объекта в его центре поможет разобраться и с черными дырами промежуточных масс, и с образованием плотных центральных областей галактик. Астрономы уже планируют провести численные эксперименты по моделированию двух «вложенных» друг в друга процессов слияния. В любом случае, «матрешка» – превосходная иллюстрация теории иерархического скучивания относительно небольших объектов во все большие и большие структуры. Именно благодаря этому процессу наша Галактика стала такой, какой мы ее сейчас видим.