Астрофизики продолжают дискутировать о времени и механизме формирования сверхмассивных черных дыр. Одно остается бесспорным: они возникли в галактиках и существуют благодаря им. Но что, если галактики сами являются результатом деятельности черных дыр? Возможно, именно так сформировались «невозможные» галактики, ставящие ученых в тупик.
Телескоп «Джеймс Уэбб», изучая раннюю Вселенную, обнаруживает галактики, которые кажутся более развитыми, чем ожидалось, и содержат большое количество звезд. Как галактики смогли сформироваться так быстро, всего за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва? Авторы нового исследования, согласно исследованию, результаты которого были опубликованы в уважаемом издании Astrophysical Journal Letters, ученые считают, что нашли ответ на этот вопрос.
Ученые считают, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) являются создателями галактик и массовыми производителями звезд. Однако сразу возникает вопрос об их собственном формировании. Вероятно, для его решения потребуется пересмотреть некоторые основополагающие принципы космологии – науки, изучающей происхождение и развитие Вселенной.
Перед рассветом
Согласно современным представлениям, сразу после Большого взрыва масса была распределена в пространстве практически однородно. Очевидно, гораздо более равномерно, чем наблюдается сегодня, когда плотные галактики разделены обширными, малонаселенными областями. Однако ключевое значение имеет слово «почти». Именно первичные, незначительные неоднородности послужили отправной точкой для формирования галактик. В тех областях, где плотность вещества оказалась немного выше, гравитационное притяжение также было сильнее. Эти центры притяжения начали аккумулировать вещество, что усиливало тяготение и запускало цепную реакцию. Это пример положительной обратной связи, который нам еще предстоит обсудить!
Громадные облака темной материи и первичного газа (водорода с примесью гелия) формировались таким образом. В каждой точке облака гравитационное притяжение всех окружающих масс вещества было направлено внутрь. Наибольшее суммарное тяготение наблюдалось в центре протогалактики. Именно к этой области устремлялись огромные массы газа. Этот процесс напоминал движение потоков воды к нижней части сосуда. Вместо земного притяжения здесь действовало совокупное тяготение всей протогалактики.
Внутри этих огромных газовых облаков гравитация также заставляла вещество собираться в плотные образования, что приводило к увеличению незначительных колебаний плотности. Именно таким образом из первоначального газа возникали звезды.
В этот стандартный сценарий исследователи внесли незначительное, но существенное изменение. Они высказали предположение, что сверхмассивные черные дыры могли образоваться в центрах протогалактик на очень ранних этапах эволюции Вселенной. По мнению авторов, это могло произойти всего через несколько десятков миллионов лет после Большого взрыва, еще до формирования первых звезд. Сверхмассивные черные дыры присутствуют практически во всех крупных галактиках, однако их редко рассматривают как объекты, сформировавшиеся в столь ранний период.
Горячие сердца
Астрономам хорошо известно, как ведут себя сверхмассивные черные дыры. Любая материя, приближающаяся к черной дыре на слишком близкое расстояние, оказывается под воздействием ее гравитации и начинает двигаться по орбите вокруг нее. Таким образом, черная дыра формирует вокруг себя дискообразное облако вращающейся материи, известное как аккреционный диск. Каждый слой диска обладает своей скоростью вращения: чем ближе к черной дыре, тем она выше. У горизонта событий – области, из которой уже невозможно выбраться, – эта скорость достигает значения, сопоставимого со скоростью света.
Из-за различий в скорости соседних слоев, в точке их соприкосновения возникает трение. Поскольку эта скорость значительно высока, трение оказывается чрезвычайно интенсивным. Оно приводит к нагреву вещества до сотен миллионов градусов. Это в десятки раз превышает температуру в центре Солнца. При такой экстремальной температуре атомы не могут существовать: они распадаются на ядра и электроны, и вещество переходит в состояние плазмы. Каждый килограмм, попадающий в эту разрушительную зону, высвобождает колоссальное количество энергии. Она достигает примерно 10 процентов от mc 2, это позволяет достичь теоретического максимума эффективности использования материи. Устройство обладает гораздо более высокой производительностью, чем термоядерные процессы, происходящие в звёздах.
Трение потоков газа приводит к потере момента вращения. Замкнутые орбиты трансформируются в спиральную структуру. Нижняя часть диска постепенно погружается в черную дыру. Тем не менее, основная масса раскаленного дискообразного облака располагается выше горизонта событий, что позволяет ему излучать в окружающее пространство потоки энергии. Парадоксальным образом, из аккреционного диска выбрасывается даже часть вещества. Это происходит из-за возникновения мощных электромагнитных полей в плазме, которые превращают диск в огромный ускоритель частиц. Эти частицы выбрасываются в виде струй, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и даже гравитация центральной черной дыры не способна их удержать.
Квазары — это самые яркие источники света во Вселенной, демонстрирующие типичный механизм работы. Аналогичные процессы наблюдаются в ядрах многих галактик, хотя и в меньшем масштабе. Даже черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, и имеющая массу, эквивалентную четырем миллионам солнц, окружена аккреционным диском. К счастью, этот диск имеет небольшие размеры и излучает не очень мощно. Если бы ядро Галактики проявляло большую активность, то мощные потоки излучения сделали бы невозможной жизнь на Земле.
Как могло столь распространенное и хорошо исследованное явление изменить представления о формировании галактик?
Переменная облачность
Решение очевидно. Согласно мнению авторов, подобное свечение возникло в очень молодых протогалактиках. В современных галактиках масса звёзд сопоставима с массой межзвёздного газа, тогда как в прошлом звёзд либо не существовало, либо их количество было незначительным. Подавляющая часть вещества, которое впоследствии сформирует звёзды, находилась в газообразном состоянии. Таким образом, вокруг чёрной дыры сконцентрировалось значительно больше газа, чем в типичной зрелой галактике и даже в самых древних обнаруженных квазарах.
Влияние такого соседства на газовые облака было неизбежным. Интенсивные потоки излучения и заряженных частиц, исходящие из аккреционного диска, воздействовали на окружающий газ. Они разрушали и фрагментировали облака, вызывая бурное движение вещества (или, в научных терминах, генерируя турбулентные потоки).
Куда же направился этот взбаламученный газ? Именно этот момент и представляет наибольший интерес. Пока его объем был значительным, из него формировались звезды, причем этот процесс происходил стремительно и с нарастающей скоростью.
Фабрика звезд
Звезды формируются в областях с неоднородностями и повышенной плотности. Эти участки служат центрами, вокруг которых гравитация притягивает вещество. В газовых облаках, подверженных разрывам и деформациям, уплотнения (наряду с разрежениями) возникали в значительных объемах.
Не весь газ, высвобождаемый из разрушенных газовых облаков, формировал звезды. Его часть осаждалась на аккреционный диск, обеспечивая его энергией. Это способствовало повышению активности черной дыры и ускоряло разрушение окружающих облаков, замыкая тем самым процесс.
Положительная обратная связь описывает ситуацию, когда сам процесс его развития стимулирует. Каждый, кто делал снеговика, знаком с этим явлением: небольшой комок снега, помещающийся в ладони, быстро увеличивается в размерах, становясь почти по пояс. Это происходит из-за того, что с ростом поверхности снеговика увеличивается и количество снега, прилипающего к нему при каждом обороте, что приводит к дальнейшему увеличению его размера. Аналогичный эффект наблюдается при распространении новой инфекции: чем больше людей заболевает, тем больше новых заражений происходит из-за контактов с ними, что приводит к увеличению числа заболевших. Весной 2020 года жители России стали свидетелями того, как несколько десятков подтвержденных случаев COVID-19 за короткий промежуток времени превратились в тысячи.
Когда количество чего-либо — будь то снег, заболевания или небесные тела в галактике — стремительно возрастает, стоит предположить наличие положительной обратной связи. Именно это и сделали астрономы.
Обычная логика указывает на то, что положительная обратная связь не может продолжаться бесконечно. В условиях ограниченности ресурсов ничто не способно расти до бесконечного размера. Снежный ком вырастет до таких размеров, что его станет невозможно сдвинуть. У большинства людей сформируется иммунитет, и распространение вируса замедлится. Запасы первичного газа исчерпаются, и не будет возможности создавать новые звезды.
Унесенные ветром
В действительности, картина оказывается еще более сложной. С уменьшением количества газа турбулентные потоки начали меняться. Эти потоки перестали фрагментироваться в протозвездные сгустки. Вместо этого они начали вытекать из центра галактики в ее внешние области, а возможно, и за ее границы.
Безусловно, возникает вопрос о причинах изменения поведения газовых потоков. Здесь задействована сложная физика, но попробуем объяснить ее вкратце. На «фабрике звезд» газ должен не только локально уплотняться, но и эффективно охлаждаться. Прежде всего, из слишком горячего вещества невозможно сформировать звезду: возрастающее давление остановит сжатие протозвездного облака. Кроме того, энергия, полученная от черной дыры, должна быть рассеяна, чтобы газ не рассеялся.
По мере уменьшения плотности газа в протогалактике, существующие методы охлаждения оказались неэффективными. Формирование звезд прекратилось, и начался процесс вывода ресурсов. Согласно расчетам исследователей, этот значительный сдвиг произошел, когда возрасту Вселенной исполнилось около миллиарда лет.
Семена будущего
Галактики сформировались достаточно быстро, так как сверхмассивные черные дыры в их ядрах начали расти еще раньше. Однако, как это стало возможным для черных дыр? Не переносим ли мы тем самым вопрос на другой уровень, вместо того чтобы найти ответ?
Астрономы до сих пор не имеют точного представления о происхождении сверхмассивных черных дыр. Согласно одной из гипотез, они формируются в результате слияния множества черных дыр, имеющих звездную массу. Эти последние, в свою очередь, возникают из отработавших свое звезд. Очевидно, что данный сценарий не подходит для объяснения наблюдаемых данных. Поскольку у рассматриваемых авторов черные дыры уже обладают сверхмассивной массой в момент, когда в галактике присутствует относительно небольшое количество звезд.
Альтернативный сценарий предполагает формирование сверхмассивных черных дыр из так называемых «тяжелых семян». Астрономы используют этот поэтический термин для обозначения черных дыр, масса которых достигает до 100 тысяч солнечных масс, и которые возникли из плотных газовых облаков. Притягивая окружающий газ, такие «семена» способны увеличиться до размеров, включающих миллионы и миллиарды солнечных масс. Данная гипотеза достаточно хорошо объясняет появление сверхмассивных черных дыр, сформировавшихся через 500 миллионов лет после Большого взрыва (наблюдения подтверждают существование квазаров такого возраста). Однако она не позволяет объяснить процессы, происходившие в первые 100 миллионов лет существования Вселенной.
В чем кроется причина раннего созревания сверхмассивных черных дыр? Авторы предлагают несколько объяснений. Одним из них является увеличение числа первичных черных дыр, образовавшихся во Вселенной.
В начале были дыры
Первые черные дыры, вероятно, представляли собой одни из самых ранних объектов, появившихся во Вселенной. Они сформировались в первые секунды после Большого взрыва, когда еще не существовало даже атомов, не говоря уже о галактиках и звездах.
Как они возникли? Ранее мы обсуждали изначальные неоднородности, гравитация которых послужила отправной точкой для формирования галактик. Некоторые из этих неоднородностей оказались настолько плотными, что немедленно, без привлечения дополнительного вещества, превратились в черные дыры. Именно такие черные дыры и называют первичными.
Наблюдателям очень жаль, но черные дыры не оставляют следов своего появления. Почти невозможно определить, образовалась ли черная дыра в первые моменты существования Вселенной или значительно позже. В результате, на данный момент не идентифицировано ни одной черной дыры, которую можно было бы однозначно считать первичной. Тем не менее, теоретики уверены в реальности первичных черных дыр, поскольку их существование логически вытекает из любой правдоподобной космологической модели.
Космологические исследования показывают, что масса первичных чёрных дыр варьировалась в широком диапазоне: от микроскопических частиц до объектов огромных размеров. Ожидаемо, что более массивные объекты формировались реже, чем менее массивные. Этот принцип действует всякий раз, когда гравитация формирует из материи скопления вещества. Наблюдать его можно даже в Солнечной системе: количество планет ограничено, крупных астероидов больше, мелких — ещё больше, а количество небольших тел, таких как метеороиды, практически не поддается оценке. Этот принцип легко запомнить с помощью простого сравнения: тараканов больше, чем слонов.
Насколько именно превышает это количество? Какова плотность черных дыр, прозванных «тараканами», по отношению к «слонам»? И сколько «слонов» сформировалось в пределах видимой Вселенной?
На этот вопрос не существует однозначного ответа. Теоретические предположения допускают различные возможности, которые согласуются с имеющимися данными. В наиболее простых моделях формируется небольшое количество массивных черных дыр. Однако, возможно, их количество сопоставимо с числом галактик. В таком случае можно предположить, что первичные черные дыры послужили «тяжелыми зародышами», а также стали готовыми сверхмассивными черными дырами в центрах галактик.
Существует и альтернативный подход. В публикациях указывается на возможность корректировки распределения первичных неоднородностей. В таком случае, сверхмассивные черные дыры в центрах галактик смогут сформироваться без необходимости в исходных «зародышах». Кроме того, рассматриваются и другие, более необычные варианты развития событий.
Проверка реальностью
С обнаружением большого числа молодых, но уже сформировавшихся галактик космологические теории пошатнулись. Новая модель может стать для них спасением. Однако она может оказаться лишь остроумной, но не подтвердившейся гипотезой. За недолгую историю космологии существовало множество подобных теорий, десятки, если не сотни.
Ученые признают, что их модель является упрощенной и находится на ранней стадии разработки. Для повышения ее точности потребуется дальнейшая проработка. Было бы целесообразно провести вычислительный эксперимент на суперкомпьютере, чтобы оценить ее надежность. Однако, окончательное подтверждение астрономической теории возможно только благодаря наблюдениям.
Оценить возможности этой модели будет весьма затруднительно. Изучение первых сотен миллионов лет после Большого взрыва представляет собой сложнейшую задачу для современных телескопов. На сегодняшний день достигнуто 320 миллионов лет. Действительно, в последние годы эти показатели демонстрируют стремительный рост. Однако, одно дело – обнаружить небольшое красное пятно на границе возможностей телескопа. И совершенно другое – получить о нем какую-либо значимую информацию.
В протогалактическом облаке практически невозможно обнаружить черную дыру, даже если она проявляет высокую активность. Плотный газ образует аккреционный диск, который служит непроницаемой завесой, препятствующей выходу лучей. По мнению ученых, телескопы нового поколения, работающие в рентгеновском диапазоне, могут зафиксировать слабое излучение.
На данный момент можно изучать более близкие галактики. Их прошлое можно реконструировать, анализируя косвенные признаки, такие как химический состав газа. Это также предоставляет некоторые возможности для проверки «чернодырной» модели.
Безусловно, наши знания о происхождении галактик и черных дыр, расположенных в их центрах, пока ограничены. Однако выдающийся математик Давид Гильберт когда-то заявил: «Мы должны знать — мы будем знать». Этот принцип стал своего рода девизом для космологов, которые постепенно раскрывают секреты прошлого Вселенной.