Почти в каждой массивной галактике, которую наблюдают астрономы, в центре прячется сверхмассивная чёрная дыра. Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» обнаружил, что некоторые из этих гигантов, возможно, даже слишком велики для галактик, в которых находятся, — бросая вызов представлениям учёных об этих объектах и заставляя переосмысливать их рост в ранней Вселенной. Астрономы продолжают искать ответы на множество ключевых вопросов об этих загадочных и могущественных объектах, и их изучение способно пролить свет на то, как формируются и развиваются галактики.
Я астроном и изучаю сверхмассивные чёрные дыры в других галактиках. Эти захватывающие объекты могут рассказать исследователям о том, как вещество поглощается или выбрасывается из центра галактики и как это может влиять на другие процессы в ней.
Что такое сверхмассивные чёрные дыры?
Сверхмассивные чёрные дыры — это крупнейший класс чёрных дыр. Чёрные дыры представляют собой области пространства, в которых гравитация стала настолько доминирующей силой, что ничто — даже свет — не может их покинуть. Массы таких объектов варьируются от сотен тысяч до миллионов и даже миллиардов масс нашего Солнца.
Исследования показывают, что практически в каждой массивной галактике, которую наблюдали астрономы, в центре находится сверхмассивная чёрная дыра. Впрочем, галактики настолько велики, что эти чёрные дыры занимают лишь крошечную их часть, а по массе уступают окружающему газу, пыли и звёздам.
Сверхмассивная чёрная дыра ограничена горизонтом событий — точкой невозврата. Любой объект, пересёкший этот горизонт, должен был бы двигаться быстрее скорости света, чтобы вырваться из чёрной дыры, что физически невозможно.
Если бы мы поместили сверхмассивную чёрную дыру в центре нашей Галактики, именуемую Стрелец A, туда, где находится Солнце, её горизонт событий вместе с окружающим газом уместились бы внутри орбиты Меркурия. Однако для более массивной сверхмассивной чёрной дыры, такой как M87, вся Солнечная система поместилась бы внутри горизонта событий.
Как учёные изучают сверхмассивные чёрные дыры?
С точки зрения наблюдений, сверхмассивные чёрные дыры крайне трудно уловить. Несмотря на то что многие из них в миллионы раз массивнее Солнца, они занимают лишь малую часть галактики, которая к тому же может быть скрыта звёздами и пылью. На сегодняшний день получено лишь два «изображения» сверхмассивных чёрных дыр — оба силами коллаборации «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope).
Поскольку прямое фотографирование чрезвычайно затруднено, астрономам приходится использовать косвенные методы, чтобы узнавать о сверхмассивных чёрных дырах и их свойствах.
Чтобы вычислить массу сверхмассивной чёрной дыры, астрономы исследуют её родительскую галактику и рассчитывают, какая масса необходима, чтобы создавать наблюдаемое гравитационное воздействие на компоненты галактики. Сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие вещество, относят к активным, тогда как те, что не питаются, называют неактивными, или спокойными.
Для галактик со спокойной сверхмассивной чёрной дырой астрономы измеряют, насколько быстро движутся звёзды, плотно упакованные вблизи центра. Усреднив эти скорости и применив соотношение, известное как M-сигма, учёные получают массу, согласующуюся со средней измеренной скоростью.
Для галактик с активной сверхмассивной чёрной дырой астрономы изучают свет, излучаемый газом вблизи горизонта событий. Если предположить, что газ обращается вокруг чёрной дыры, ширина спектральных линий этого газа соотносится с центральной массой, что даёт ещё один способ оценить её.
Кроме того, астрономы могут судить о том, сколько массы падает в активную чёрную дыру, измерив светимость, то есть наблюдаемую мощность излучения газа до того, как он пересечёт горизонт событий.
Чего мы не знаем об этих объектах
Астрономов также живо интересует, как именно формируются сверхмассивные чёрные дыры. Учёные уже понимают, как возникают чёрные дыры меньшего размера — так называемые чёрные дыры звёздной массы, — однако сверхмассивные чёрные дыры слишком велики, чтобы рождаться тем же путём.
Чёрные дыры звёздной массы образуются, когда у массивной звезды заканчивается топливо. Гравитация обрушивает её ядро, порождая ударную волну, которая разрушает звезду и может оставить после себя чёрную дыру. Но даже самые большие звёзды, дающие начало таким чёрным дырам, недостаточно массивны, чтобы сформировать сверхмассивные объекты.
На этот счёт у учёных есть две гипотезы о формировании «зародышей» сверхмассивных чёрных дыр — тех начальных чёрных дыр, которые со временем набирали массу, пока не превратились в наблюдаемых нами сегодня гигантов.
Первая гипотеза предполагает, что зародыши возникли в результате гибели массивных молодых звёзд ранней Вселенной, известных как звёзды Популяции III. Вторая гипотеза утверждает, что зародыши образовались при коллапсе огромного газового облака, сжавшегося в чёрную дыру из-за собственной колоссальной массы и мощной гравитации.
Ни одна из гипотез пока не имеет прямых наблюдательных подтверждений, однако ожидается, что результаты работы телескопа «Джеймс Уэбб» помогут ответить на эти вопросы.
Ещё один крупный неразрешённый вопрос — когда именно формируются эти сверхмассивные чёрные дыры. Проблема напоминает загадку курицы и яйца: возникли ли сперва зародыши сверхмассивных чёрных дыр, которые затем постепенно притянули вещество, со временем сформировавшее вокруг них галактику? Или же сперва начала собираться галактика, а звёзды и газовые облака внутри неё коллапсировали в зародыши чёрных дыр?
Предварительные результаты и наблюдения склоняют чашу весов в пользу первого варианта. Но если это так, возникает новый вопрос: как остальная часть галактики могла формироваться и эволюционировать с уже сидящей внутри сверхмассивной чёрной дырой?
Почему это важно изучать?
Сверхмассивные чёрные дыры оказывают влияние на свои родительские галактики. По мере роста дыры астрономы фиксируют увеличение скорости звёзд, расположенных в центральном скоплении галактики. Такая закономерность указывает на связь между сверхмассивной чёрной дырой и остальными компонентами галактики — звёздами, газом и пылью.
Нередко учёные наблюдают, как вещество падает внутрь, по направлению к чёрной дыре. Но прежде чем оно окажется поглощённым, часть материи выбрасывается обратно ветрами, порождёнными чудовищным давлением и трением в окрестностях чёрной дыры. Это вещество, выброшенное прочь из ближайших окрестностей, может либо разогревать газ и препятствовать звёздообразованию, либо, наоборот, сжимать газ и вызывать ударные волны внутри галактики.
Хотя сверхмассивная чёрная дыра способна воздействовать на свою галактику, Земле ничего не угрожает: её не засосёт и не утащит в чёрную дыру в центре Млечного Пути. В большинстве галактик сверхмассивная чёрная дыра просто служит гравитационным якорем, удерживающим объекты на орбитах.
И всё же учёным жизненно важно понимать, как именно сверхмассивные чёрные дыры воздействуют на свои галактики и как они способны формировать картину наблюдаемой нами Вселенной.
Источники:
Данные NASA и телескопа «Джеймс Уэбб» о сверхмассивных чёрных дырах; материалы коллаборации Event Horizon Telescope (EHT); изображения M87* и Стрельца A* (EHT collaboration, с благодарностью Lia Medeiros, xkcd, CC BY); исследования популяций звёзд и формирования зародышей чёрных дыр; публикации ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser / N. Bartmann (CC BY-NC).
Ваш комментарий