Астрофизики спорят о времени и способе появления сверхмассивных черных дыр. Согласие есть лишь в одном: черные дыры появились в галактиках и благодаря им. Но что если сами галактики — следствие деятельности черных дыр? Такой сценарий мог бы объяснить существование «невозможных» галактик, которые ставят ученых перед дилеммой.
Телескоп «Джеймс Уэбб», наблюдая за прошлым Вселенной, обнаруживает галактики с большим количеством звезд, которые неожиданно зрелые. Как им удалось сформироваться всего через несколько десятков миллионов лет после Большого взрыва? Авторы… нового исследованияАвторы статьи, изданной в авторитетном журнале «Astrophysical Journal Letters», считают, что нашли ответ на этот вопрос.
Исследователи назвали сверхмассивными черными дырами (СМЧД) архитекторов галактик и крупных производителей звезд. Но возникает вопрос: как сами черные дыры успели образоваться? Возможно, на него потребуется пересмотреть основы космологии — науки о происхождении и эволюции Вселенной.
Перед рассветом
После Большого взрыва масса распределялась по пространству почти равномерно.
Однако гораздо более равномерно, чем сейчас, когда сравнительно плотные галактики отделены огромными пустотами. Но ключевое слово здесь «почти». С первичных неоднородностей началось формирование галактик. Там, где плотность оказалась немного выше, была и большая гравитация. Эти центры притяжения тянули к себе вещество, от чего гравитация становилась еще сильнее, и так далее. Это важный случай положительной обратной связи — понятие нам еще понадобится!
Из темной материи и первичного газа (водорода с гелием) образовывались огромные облака протогалактик. В каждой точке облака силы притяжения всех близлежащих масс вещества складывались. Самое сильное суммарное тяготение оказывалось в центре протогалактики, куда и дрейфовали огромные массы газа. Движение было похоже на стремление потоков воды к нижней части сосуда, только вместо земного притяжения здесь работало совокупное тяготение всей протогалактики.
В огромных облаках гравитация сжимала вещество, увеличивая небольшие неравномерности. Из первоначального газа образовывались звёзды.
Исследователи внесли небольшое, но важное дополнение в стандартный сценарий: предположили, что в центрах протогалактик очень рано сформировались сверхмассивные черные дыры. Возможно, это случилось спустя считанные десятки миллионов лет после Большого взрыва, еще до появления первых звезд. Сверхмассивные черные дыры гнездятся практически во всех крупных галактиках, но обычно не считают настолько древними.
Горячие сердца
Астрономы хорошо знают поведение СМЧД. Любая материя, оказавшаяся слишком близко к черной дыре, попадает под её гравитационное воздействие и обретает орбиту вокруг «хищницы». Так черная дыра создаёт дискообразное облако вращающейся вокруг неё материи — аккреционный диск. Каждый слой диска вращается со своей скоростью: чем ближе к черной дыре, тем быстрее. У самого горизонта событий — «поверхности невозврата» черной дыры, из-под которой нет пути назад, — эта скорость приближается к скорости света.
Разные скорости соседних слоёв приводят к трению в месте их стыка. Из-за огромной величины этих скоростей трение становится колоссальным и разогревает вещество до сотен миллионов градусов. Такая температура, превышающая температуру в центре Солнца в десятки раз, не позволяет атомам существовать: они распадаются на ядра и электроны, превращаясь в плазму. Каждый килограмм вещества, попавший в эту область, выделяет огромную энергию, составляющую около 10 процентов от mc². 2Это предел эффективности получения энергии из вещества, превосходящий по производительности термоядерные процессы в звездах на порядок.
Кроме того, трущиеся потоки газа теряют момент вращения. Замкнутые орбиты становятся спиралями. Нижняя часть диска постепенно погружается в черную дыру. Большая часть раскаленного дискообразного облака находится выше горизонта событий и испускает в окружающий космос потоки излучения. Парадоксально, но из аккреционного диска выбрасывается наружу даже часть вещества. Дело в том, что в облаке плазмы возникают огромные электромагнитные поля, превращая диск в грандиозный ускоритель частиц. Струи частиц выбрасываются на околосветовой скорости, и даже гравитация центральной черной дыры не может удержать их.
Это классическая картина работы квазаров — самых мощных источников излучения во Вселенной. В меньших масштабах те же процессы происходят в ядрах многих галактик. Даже черная дыра в центре Млечного Пути, масса которой равна четырем миллионам солнц, имеет свой аккреционный диск. К счастью, он невелик и излучает сравнительно слабо. Если бы ядро Галактики было более активным, жизнь на Земле была бы невозможна из-за мощных потоков излучения.
Как такое широко известное и детально исследованное явление могло изменить понимание формирования галактик?
Переменная облачность
Авторы полагают, что возникновение всей этой иллюминации началось очень давно, в молоденьких протогалактиках. В типичной сегодняшней галактике масса звезд равна массе межзвездного газа, а тогда звезд практически не было или их было очень мало. Практически все вещество, которое позже станет звёздами, существовало в виде газа. Следовательно, вокруг черной дыры было гораздо больше газа, чем в современной зрелой галактике и даже чем в самых древних известных квазарах.
Такое соседство не прошло без последствий для газовых облаков. Мощные потоки излучения и заряженных частиц, испускаемые аккреционным диском, врезались в окружающий газ, разрывая и кромсая облака. Это заставляло вещество бурлить (по научному — создавать турбулентные потоки).
Дальнейшая судьба возбужденного газа стала самым увлекательным этапом. Пока его количество оставалось большим, рождение звезд происходило стремительно и с нарастающей скоростью.
Фабрика звезд
Звезды образуются там, где есть неоднородности, уплотнения. Гравитация стягивает вещество к ним. В рвущихся на части, искажённых газовых облаках уплотнения (как и разрежения) возникали в большом количестве.
Не все газ из разрушенных газовых скоплений образовывал звезды. Часть уходила на аккреционный диск, питая его. Это делало черную дыру более активной, а окружающие облака разрушались еще быстрее — создавая замкнутый цикл.
Положительная обратная связь — замкнутый круг, где процесс ускоряет сам себя. Кто лепил снеговика, тот знает: комок снега размером с ладонь через несколько шагов вырастает почти по пояс. Чем больше его поверхность, тем больше снега налипнет за один оборот, а от этого поверхность еще увеличится. Другой пример — распространение новой инфекции. Чем больше людей заболело, тем больше заразятся от контакта с ними, заражая еще больше людей. Весной 2020 года жители России могли наблюдать, как десятки подтвержденных случаев COVID-19 за считанные недели превратились в тысячи.
Если что-либо — снег, случаи болезни или звезды в галактике — стремительно увеличивается в количестве, это может свидетельствовать о положительной обратной связи. Астрономы именно так поступили.
Простая логика указывает на то, что положительная обратная связь рано или поздно прекратится. В мире с ограниченными ресурсами ничто не может расти бесконечно. Снежный ком достигнет размера, после которого его уже не сдвинуть. Большая часть населения получит иммунитет, и распространение вируса замедлится. Запасы первичного газа закончатся, и свежие звезды будет не из чего создавать.
Унесенные ветром
По мере высыхания облаков газа турбулентные потоки проявляли себя иначе. Струи перестал делиться на протозвезды. Теперь они текли от центра галактики к её окраине, возможно, и за неё.
Возникает вопрос: почему повелились газовые потоки иначе?
Физика здесь сложная, но попытаемся сформулировать ее кратко. На «фабрике звезд» газ должен не только бурлить локальными уплотнениями, но и эффективно охлаждаться. Слишком горячее вещество не позволит сформироваться звезде: нарастающее давление остановит сжатие протозвездного облака. Полученную от черной дыры энергию нужно девать куда-то, чтобы газ остался на месте, а не улетел.
Снижение плотности газа в протогалактике привело к неэффективности прежних систем охлаждения. Функционирование «фабрики звезд» прекратилось, и запустился процесс оттока материи. Согласно расчетам исследователей, этот резкий переход случился около миллиарда лет назад.
Семена будущего
Галактики сформировались слишком быстро, ведь чёрные дыры в их ядрах развились ещё раньше. Но как это возможно для чёрных дыр? Разве не сдвигаем мы проблему просто с одного места на другое?
Астрономы до сих пор не выяснили, как возникают сверхмассивные черные дыры. Согласно одной из теорий, это результат слияния множества черных дыр, образованных отгоревшими звездами. Такой сценарий неприемлем, поскольку авторы предполагают существование уже сверхмассивных черных дыр в галактиках, где еще мало звезд.
Другая версия предполагает образование сверхмассивных черных дыр из «тяжелых семян» — черных дыр массой до сотен тысяч солнц, возникших из плотных газовых облаков. Притягивая окружающий газ, подобное «семечко» может увеличиться до миллионов и миллиардов солнечных масс. Эта теория частично объясняет существование сверхмассивных черных дыр, появившихся через 500 миллионов лет после Большого взрыва (квазары такого возраста наблюдались). Но она не применима к первому 100 миллионам лет существования Вселенной.
Авторы выдвигают несколько гипотез о причине быстрого созревания супермассивных компактных объектов (СМЧД). Одним из предложенных вариантов является увеличение числа первичных черных дыр во Вселенной.
В начале были дыры
Первичные черные дыры — самые ранние астрономические объекты во Вселенной. Возникли они в самом начале после Большого взрыва, когда еще не образовывались атомы, галактики и звезды.
Откуда возникли эти объекты? Мы уже говорили о первичных неоднородностях, гравитация которых дала начало галактикам. Некоторые из этих неоднородностей оказались настолько плотными, что сразу же, без дополнительных порций материи, превратились в черные дыры. Эти черные дыры и называются первичными.
К величайшему огорчению наблюдателей, черные дыры не оставляют свидетельств своего рождения.
Около черной дыры невозможно узнать, появилась ли она с первых секунд существования Вселенной или позже.
Поэтому до сих пор неизвестна ни одна черная дыра, которую можно было бы без сомнений считать первичной. В то же время теоретики уверены в реальности первичных черных дыр. Их существование неизбежно следует из любой разумной космологической теории.
Космологи утверждают, что первоначальные черные дыры имели разную массу: от крошечных до сверхмассивных.
Массивные объекты встречались реже мелких. Такой закон действует всегда, когда гравитация формирует из материи скопления. Его можно проследить даже в Солнечной системе: планет мало, крупных астероидов больше, мелких — еще больше, а метеороиды вообще не поддаются подсчёту.
Насколько значительно превышает количество «тараканов» количество «слонов»? И сколько «слонов» образовалось во всей наблюдаемой Вселенной?
На этот вопрос нет однозначного ответа. Теория допускает различные варианты, не противоречащие наблюдениям. В простейших моделях образуется очень мало массивных черных дыр. Но возможно, их количество не меньше количества галактик. Тогда первичные черные дыры могли стать «тяжелыми семенами» или готовыми СМЧД в центрах галактик.
Существует и иной вариант. Авторы предлагают возможность корректировать распределение первоначальных неоднородностей. В таком случае черные дыры в центрах галактик смогут расти без предпосылок «семян». Имеется также ряд других сценариев — правда, еще более необычных.
Проверка реальностью
Массовое обнаружение молодых, однако неожиданно развитых галактик ставит под сомнение космологические теории. пошатнулисьНовая модель может спастись или же оказаться остроумной, но не доказанной гипотезой. Таких за краткую историю космологии было десятки, если не сотни.
Ученые признают, что их модель является упрощенной и предварительной. Необходимо более подробно ее разработать. Желательно провести расчеты на суперкомпьютере. В конечном итоге критерием оценки астрономической теории будут наблюдения.
Оценить работу этой модели будет затруднительно. Первые сотни миллионов лет после Большого взрыва недоступны для современных телескопов. Зарегистрированный сегодня рекорд составляет 320 миллионов лет. Правда, в последнее время подобные достижения быстро совершенствуются. Но одно дело — обнаружить на границе чувствительности маленькое красное пятно. И совсем другое — что-либо существенное о нем сообщить.
В протогалактическом облаке почти не видно черных дыр, независимо от их активности. Газ покрывает аккреционный диск настолько плотной завесой, что поток лучей практически не выходит наружу. Возможно, по словам исследователей, рентгеновские телескопы нового поколения смогут захватить слабое излучение.
Остается изучать более близкие галактики. О прошлом таких объектов можно судить по косвенным признакам, например, по химическому составу газа.
Одно ясно: о происхождении галактик и их центральных черных дыр нам пока мало известно. Но математик Давид Гильберт утверждал: «Мы должны знать — мы будем знать». Этот высказывание можно считать девизом космологов, которые по крупицам раскрывают Вселенной тайны ее прошлого.