Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби

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.

Вообразите, что вы отправляетесь в ночной поход в отдаленную пустыню, чтобы переночевать вдали от любых признаков цивилизации. Вы достигаете вершины холма и вдруг с удивлением обнаруживаете перед собой здание, залитое искусственным освещением. Ваше изумление будет отчасти напоминать то недоумение, с которым было встречено открытие так называемого объекта Ханни. Это любопытное газовое облако обнаружили в 2007 году. Ярче 30 000 солнц, оно просто плавало в межгалактическом пространстве, не имея никакого видимого источника освещения. К настоящему времени уже обнаружено 19 подобных облаков, и все они светятся, по-видимому, без внутреннего источника энергии.

Вероятно, своей энергетической подпиткой облака обязаны интенсивному излучению от громадных близлежащих черных дыр. Эта связь облаков с огромными черными дырами интересна тем, что теперь с помощью облаков мы можем исследовать, как растут и поглощают материю эти непостижимые чудища.

Ханни обнаружила школьная учительница, участвовавшая в проекте «Галактический зоопарк Хаббла» по классификации различных типов галактик. В этом интернет-проекте могут принять участие все желающие. При исследовании изображений в искусственных цветах Ханни ван Аркел, волонтер проекта, заметила странное пятно в виде кляксы, которое ей показалось чересчур синим. Она сообщила об этом по электронной почте научным сотрудникам – основателям проекта.