Вновь о черных дырах
Вновь о черных дырах. Черные дыры в молодой Вселенной. Завуалированные черные дыры
Калифорнийские астрофизики предложили простой и элегантный способ проверки гипотезы, согласно которой в центре нашей Галактики находится пара черных дыр различной массы. В конце ХХ столетия ученые пришли к выводу, что газо-пылевые облака, окружающие срединную зону Млечного Пути, скрывают исполинскую черную дыру, масса которой, по последним оценкам, в 3 миллиона 600 тысяч раз превышает массу Солнца. Согласно современным представлениям, подобные сверхмассивные черные дыры расположены в активных ядрах большинства галактик. Долгое время считалось, что дыра в центре Млечного пути не имеет компаньонов. Однако 4 года назад астрономы обнаружили в том же районе небольшое скопление очень молодых звезд, двигающихся со скоростями порядка тысячи километров в секунду. Они удалены от центральной дыры всего на половину светового года, что почти в 9 раз меньше расстояния между Солнцем и ближайшей к нему звездой Проксимой Центавра. Эти звезды никак не могли образоваться в такой близости от дыры, поскольку были бы разорваны ее силой тяготения еще на стадии формирования. Поэтому некоторые астрономы предположили, что звезды родились в другом районе, а затем были притянуты сравнительно небольшой черной дырой, которая обращается вокруг дыры-исполина в качестве ее спутника. Вычисления показали, что если эта дыра существует, ее масса составляет от тысячи до десяти тысяч солнечных масс. Однако у этой гипотезы сразу нашлись противники. Они отметили, что сама центральная супердыра могла разогнать несколько близлежащих звезд до наблюдаемых скоростей и выбросить их в окружающее пространство. Недавно астрофизик Калифорнийского университета Йочжун Лю [Youjun Lu] и его коллеги провели вычисления, которые показали, что единичные и двойные дыры по-разному воздействуют на гравитационно связанные пары звезд. Одна единственная дыра может разогнать какую-то из этих звезд, однако вторую она непременно пленит своим притяжением. В то же время система из двух дыр способна ускорить и отбросить звездную пару, не нарушая ее единства. Следовательно, если в центре нашей нашей галактики будет открыта сверхскоростная звездная пара, можно будет почти наверняка утверждать, что у центральной супердыры имеется не столь грандиозная дыра-спутник. В молодых скоплениях галактик сверхмассивные черные дыры растут намного быстрее, чем в галактических кластерах более почтенного возраста. Об этом свидетельствуют результаты новых наблюдений, выполненных с помощью аппаратуры американской орбитальной рентгеновской обсерватории «Чандра». В старых учебниках астрономии можно прочесть, что практически вся энергия, излучаемая галактиками любых типов, вырабатывается в результате термоядерного горения в недрах звезд. Эта концепция подверглась пересмотру после того, как астрономы открыли множество галактик, выбрасывающих мощнейшие потоки электромагнитного излучения разных частот из сравнительно небольших областей в своих центральных зонах поперечником не более двух-трех световых лет. Такие области получили название активных галактических ядер. Долгое время природа источников энергии активных ядер оставалась загадкой. Сейчас считается, что едва ли не все активные ядра содержат сверхмассивные черные дыры, которые притягивают потоки окружающего газа и при этом закручивают их по спиралям, образуя плотные горячие диски. Заряженные частицы, которые вращаются в этих дисках с очень высокими скоростями, генерируют электромагнитные излучения, мощность которых может в миллиарды и десятки миллиардов раз превышать полную светимость Солнца. Черная дыра в центре активного ядра все время поглощает вещество окружающего ее диска и за счет этого увеличивается в массе и размере. Приборы «Чандры» показали, что скорость этого роста зависит от возраста галактик. «Чандра» обследовала две группы галактических скоплений. Одна из них испустила зарегистрированное «Чандрой» рентгеновское излучение, когда продолжительность жизни Вселенной составляла лишь 58% ее нынешнего возраста – иначе говоря, Вселенная была почти вдвое моложе, чем сейчас. На других рентгеновских снимках запечатлены не столь далекие скопления, сфотографированные в тот момент, когда Вселенная уже успела прожить 82% своего теперешнего срока. В первом семействе скоплений было найдено в двадцать раз больше активных галактических ядер, нежели во втором. Этo несложно понять. Недавно сформировавшаяся галактика содержит много космического газа, который служит пищей для распухающей черной дыры. Центральные дыры старых галактик успевают всосать в себя изрядную долю этого газа и потому медленней растут и не столь интенсивно излучают. Хотя находящаяся в центре галактики дыра никуда не исчезает, ее активность снижается, а затем и вовсе сходит на нет. Именно поэтому активные ядра встречаются в старых галактиках куда реже, чем в молодых. Новые наблюдения позволяют объяснить, почему очень горячие массивные звезды куда чаще встречаются в молодых галактиках. Сразу после формирования галактики они с легкостью образуются из пока еще обильного космического газа. К этому времени центральная черная дыра не успевает настолько подрасти, чтобы препятствовать этому процессу. Позднее дыра начинает генерировать энергию с такой интенсивностью, что разрушает своим излучением газовые сгущения, которые могли бы дать начало новым звездам. В итоге процесс звездообразования сильно тормозится, хотя газа может быть еще вполне достаточно. Массивные звезды живут не более миллиарда лет (подчас и гораздо меньше), так что по мере старения галактики их число резко падает. А в совсем старых галактиках они почти не рождаются. Ядра таких галактик часто демонстрируют низкую или нулевую активность, однако и запасы космического газа там уже невелики. Так что новым горячим звездам обычно просто не из чего родиться. Американская космическая обсерватория обнаружила сверхмассивные черные дыр, плотно укутанные в облака из пыли и газа. К настоящему времени в космосе выявлены черные дыры двух типов. Одни из них рождаются при гравитационном коллапсе гигантских звезд и потому имеют довольно скромную массу, не более чем в десятки раз превышающую массу Солнца. Эти звезды разбросаны по всему космическому пространству и часто имеют компаньонов в лице обычных звезд. Другие дыры расположены в центральных зонах многих галактик и тянут на миллионы и даже миллиарды солнечных масс. Наша собственная галактика, Млечный Путь, тоже не обделена такой дырой, которая по массе опережает Солнце почти в 4 миллиона раз. Центральные зоны многих галактик испускают чрезвычайно мощное излучение и потому называются активными ядрами. До сих пор считалось, что в каждом активном ядре находится сверхмассивная черная дыра, окруженная исполинским плазменным диском, который в середине сильно раздут и потому похож на бублик. Вещество диска вращается вокруг дыры, делая по много тысяч километров в секунду. Поэтому диск служит источником рентгеновского излучения, которое в основном уходит по перпендикуляру к его плоскости. Вещество диска к тому же все время втягивается в черную дыру и при этом опять-таки испускает рентгеновские кванты. Полная мощность этих излучений может в миллиарды раз превышает светимость крупнейших звезд. Сейчас универсальность этой модели оказалась под вопросом. Американская космическая обсерватория Swift нашла в космосе несколько галактик, которые испускают совершенно нестандартное рентгеновское свечение. Его спектр изобилует самыми энергичными рентгеновскими квантами, однако там практически отсутствуют кванты с меньшими частотами. Наличие жесткого рентгена означает, что излучение порождено падением ионизированного газа на черную дыру, поскольку никакие иные известные механизмы его не объясняют. Однако при этом должны рождаться не только жесткие, но и мягкие рентгеновские лучи, которые на деле не наблюдаются. Скорее всего отсюда следует, что выявленные дыры окружены не плоскими бубликами из плазмы, а сферическими облаками, окутывающими их со всех направлений. Расчеты показывают, что такие облака должны пропускать жесткий рентген, но поглощать рентгеновские кванты с меньшими энергиями. Другая возможная интерпретация состоит в том, что черная дыра вместе с окружающим ее плазменным диском окутана вуалью из более холодной газо-пылевой материи, которая опять-таки должна поглощать мягкий рентген.