Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары

Почему это открытие — аномалия?

На просторах бесконечной, расширяющейся Вселенной всем заведует сила гравитации. Бесчисленное количество самых разных небесных объектов сталкиваются между собой, будь то галактики, звезды или планеты. Недавно ученые обнаружили три сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах трех галактик. Необычным это явление делает то, что сразу три галактики, которые находятся в миллиарде световых лет от нашей планеты, сталкиваются друг с другом. Однако есть еще одна странность — оказалось, что эти сверхмассивные объекты светятся в рентгеновских лучах.

В 2017 году ученые объявили миру об обнаружении гравитационных волн, предсказанных теорией относительности Альберта Эйнштейна. Гравитационные волны достигли нашей планеты, возникнув в результате столкновения двух сверхмассивных черных дыр. Таким образом, исследователи впервые получили данные о слиянии этих космических монстров. Однако, по словам ученых, LIGO или обсерватория VIRGO не смогут обнаружить гравитационные волны, которые возникнут в результате столкновения трех галактик, из-за их низкой частотности. Но обо всем по порядку.

Почему в центре галактики расположена черная дыра?

Если вы посмотрите вдоль Млечного Пути в направлении созвездия Стрельца, вы увидите плотную агломерацию звезд вокруг центра галактики. Галактический центр отмечен очень плотным, очень массивным скоплением звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры.

Ранее в этом году команда ESO Gravity нашла звезду, которая вращается около черной дыры скоростью до 10 000 км в секунду, что составляет несколько процентов от скорости света. Это позволило им взвесить черную дыру с точностью до 1%, получив значение примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца.

На самом деле, это не такое уж и большое значение для сверхмассивных черных дыр. Например, наша соседняя галактика Андромеда также имеет сверхмассивную черную дыру, но она в 50 раз тяжелее нашей.

По существу все большие галактики имеют центральные массивные черные дыры

Мы не знаем точно, почему это так, но мы знаем, что это важно и что рост этих монстров, вероятно, повлиял на галактику в целом

Понимание эффекта взаимодействия между черными дырами и галактиками-хозяевами — одна из самых горячих тем современной астрофизики.

Примет ли Россия участие в проекте?

Россия не принимала участие в проекте в первую очередь потому, что не имеет современных радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Например, крупнейший в мире космический радиотелескоп «Радиоастрон» (запущен в 2011 году) с диаметром антенны 10 метров, позволивший достигнуть рекордных значений разрешения, работает в сантиметровом диапазоне.

Но ситуация может измениться. В 2018 году Россия и Узбекистан приняли решение достроить на юге Узбекистана уникальный радиотелескоп «Суффа» на одноимённом плато, который должен работать именно в миллиметровом диапазоне. Строительство этого 70-метрового радиотелескопа началось в 1985 году, но в 1991 году было законсервировано. Если всё пойдёт по плану, то телескоп сможет войти в строй к 2024 году. Стоимость работ порядка 4 миллиардов рублей.

Кроме того, в планах российских астрономов запуск космической обсерватории «Миллиметрон» (Спектр-М) с 10-метровым зеркалом, предназначенной для исследований в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Космический телескоп благодаря значительному удалению от Земли существенно увеличивает разрешающую способность интерферометра. Однако, скорее всего, «Миллиметрон» запустят лишь после 2030 года.

Зло пробудилось

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного пути — Стрелец A* (Sgr A*) — ближайший к Земле объект такого рода. Она представляет собой компактный сверхплотный объект, который испускает инфракрасное, рентгеновское и радиоизлучение. Хотя сами черные дыры не могут ничего излучать по определению (гипотетическое излучение Хокинга не в счет, оно генерируется у горизонта событий с наружной стороны), Стрелец A* окружен горячим газовым облаком протяженностью шесть световых лет, которое и является радиоисточником. Расстояние от Земли до черной дыры достигает 26 тысяч световых лет, а ее диаметр, по оценкам, составляет 60 миллионов километров (чуть больше диаметра орбиты Меркурия).

Многочисленные наблюдения за черной дырой продемонстрировали, что Стрелец A* является относительно неярким объектом. Его светимость на девять порядков меньше, чем максимально возможная светимость (светимость Эддингтона), но при этом она постоянно изменяется. Так, изучение рентгеновского эха, то есть отраженных от галактической пыли рентгеновских лучей, позволило определить, что за последние несколько столетий видимая с Земли яркость радиоисточника могла меняться на пять порядков. Это объясняется тем, что космическая среда вокруг черной дыры очень динамична: тут находятся звезды и другие объекты, которые проходят в непосредственной близости от Sgr А*, тем самым способствуя аккреции вещества.

Эхо от древней вспышки Стрельца А*

Изображение: NASA

В 2018 году одна из звезд — S2 — подошла к черной дыре на расстояние меньше ста астрономических единиц (одна астрономическая единица, или а.е., равна среднему расстоянию от Солнца до Земли). В последние десятилетия астрономы также наблюдали приближение к Стрельцу A* двух пылевых объектов (G1 и G2) — тогда у них были замечены признаки приливного взаимодействия с черной дырой. Ученые предположили, что и S2, и два облака являются источником материала, падающего в черную дыру и вызывающего изменения в блеске.

Тайны Млечного Пути

Так как телескоп – это своего рода машина времени, вглядываясь в глубины космоса, мы можем многое узнать о его прошлом. Теперь же ученые полагают, что изучение сверхмассивной черной дыры в центре Стрельца А* может пролить свет на прошлое нашей родной галактики.

Галактики, звезды и черные дыры очень странные объекты

Если вторая черная дыра будет обнаружена, это открытие может указать на другие процессы, которые приводят к тому, что в центрах галактик вращаются эти космические монстры. Кроме того, открытие способно бросить вызов современным представлениям о слиянии и эволюции галактик. В то же самое время, отсутствие второй черной дыры означает, что Млечный Путь не сталкивался с крупными галактиками как минимум 10 миллионов лет.

Так как масса Стрельца А* в 4 миллиона раз больше массы Солнца, это фактически делает ее одной из самых больших черных дыр во Вселенной. Так что если в прошлом и произошло столкновение с другой галактикой, оно было незначительным. Скорее всего Стрелец А* образовалась в результате слияния с более мелкими, карликовыми галактиками. Однако в настоящий момент точного ответа на вопрос о том, сколько черных дыр находится в центре Млечного Пути нет.

Что находится в центре Млечного Пути?

Увеличение разрешающей способности телескопов дало возможность более точно оценить размеры этого объекта, который первоначально представлялся как облако, испускавшее мощное радиоизлучение. Начиная с 1992 г., астрономами в инфракрасном диапазоне были исследованы окрестности Стрельца А* (Sagittarius A*, или Sgr A*). На снимках (инфракрасное излучение в определенном диапазоне пробивается сквозь облачную завесу) можно отчетливо видеть стайки звезд, кружащие возле Sgr A*. Их траекторию возможно определить, а значит, и вычислить ту невероятную силу, что притягивает их к себе. Эта сила до такой степени велика, что даже скопления нейтронных звезд не хватило бы, для создания такого гравитационного поля.

Согласно наблюдениям, там, в центре Галактики, сосредоточена громадная масса вещества. Объясняется это только наличием там черной дыры. Изначально ее размеры были оценены приблизительно в 2,7 млн солнечных масс. С помощью измерений в инфракрасном и рентгеновском диапазоне выяснили, что этот объект очень быстро вращается.

Позднее, после тщательного изучения траектории и скорости движения расположенных поблизости звезд, астрономам удалось определить, что там, на участке диаметром «всего» 12 млн километров, простирается черная дыра, чья масса ориентировочно в 4,3 млн раз больше массы Солнца (см. Интересные факты о Солнце).

Итак, теперь мы знаем, что находится в центре Галактики, на расстоянии 26 тыс. световых лет от Земли. Там расположена сверхмассивная черная дыра Стрелец А* массой массой (4,31 ± 0,36)⋅106 масс Солнца – «ненасытная звездная смерть», которая пожирает все, что приближается к ней.

Там, на сравнительно небольшом участке пространства, скопилась такая масса вещества, которого хватило бы на миллионы звезд. А ведь когда-то многое в этом черном чреве Галактики было звездами. Уже после первых наблюдений за этой областью Млечного Пути стало понятным, до какой степени неуютно жилось бы там, если бы наше Солнце действительно находилось в центре Галактики. Там, где одна катастрофа сменяет другую, где воцарился хаос и где гибель звезды – такое же будничное явление, как и гибель солдата на фронте. Там, где потоки космического излучения выжигают поверхность всех еще находящихся там планет.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

Визуализация черной дыры рядом со звездой

(Фото: NASA)

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Визуализация квазара

(Фото: NASA)

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Индустрия 4.0

Как полететь на Луну: самые популярные поисковые запросы на тему космоса

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Визуализация двух черных дыр

(Фото: NASA)

Как вращаются черные дыры?

В ходе исследования, опубликованного в журнале Astrophysical Journal Letters, было измерено вращение некоторых сверхмассивных черных дыр. Все потому, что с помощью нескольких активных черных дыр исследователи могут изучать рентгеновские лучи, испускаемые их аккреционными дисками. Рентгеновский луч света от диска получает импульс энергии от вращения, и, измеряя этот импульс, можно определить спин.

Но есть еще один способ – получить прямое изображение черной дыры, как сделали астрономы с той, что находится в центре эллиптической галактики Messier 87 (М87) в созвездии Девы. Кольцо света, которое мы видим на изображении, ярче на стороне, вращающейся к нам. Подробнее о том, как исследователям удалось получить первое в истории изображение черной дыры, читайте в нашем материале.

Тот самый знаменитый снимок черной дыры. Одна сторона на снимке ярче из-за ее вращения.

Но несмотря на эти потрясающие результаты, спина черной дыры, что вращается в центре галактики Млечный Путь исследователи по-прежнему не знают. Проблема заключается в том, что наша черная дыра не очень активна, и она намного меньше, чем та, что расположилась в центре эллиптической галактики М87. Отчасти именно по этой причине астрономы не могут измерить ее вращение, наблюдая свет вблизи черной дыры. Хорошие же новости заключаются в том, что в новом исследовании ученые предлагают новый способ для измерения спина сверхмассивной черной дыры в самом сердце нашей галактики.

Их метод использует свойство, известное как эффект Лензе-Тирринга (frame dragging), с помощью которого можно наблюдать как прецессия плоскости орбиты пробной массы, обращается вокруг массивного вращающегося тела, либо как прецессия оси вращения гироскопа в окрестностях такого тела. Когда масса вращается, она слегка искривляет пространство вокруг себя. Мы знаем, что это реально, потому что ученые измерили эффект Линзе-Терринга Земли.

Рентгеновские лучи от черной дыры говорят астрономам о ее вращении. Фото: NASA/JPL-Caltech

Вращение черной дыры создает тот же самый эффект, и, измеряя его, можно определить вращение черной дыры. Учитывая, что запустить зонд на орбиту вокруг черной дыры, как это было с Землей, невозможно, новый способ кажется самым настоящим решением проблемы.

Радиация Хокинга

Излучение Хокинга — это излучение черного тела , которое, согласно прогнозам, испускается черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Это излучение уменьшает массу и энергию черных дыр, заставляя их сжиматься и в конечном итоге исчезать. Если черные дыры испаряются с помощью излучения Хокинга , сверхмассивной черной дыры с массой 10 11 (100 миллиардов) М будет испаряться примерно 2 × 10 100 лет. Согласно прогнозам, некоторые чудовищные черные дыры во Вселенной будут продолжать расти, возможно, до 10 14 M во время коллапса сверхскоплений галактик. Даже они испарились бы за время до 10 106 лет.

Тайны Млечного Пути

S-звездное скопление, вращающееся вокруг черной дыры в нашей галактике.

Однако в ходе исследования, после внимательного изучения орбиты S-звезд, эффекта Линзе-Терринга обнаружено не было. Учитывая тот факт, что орбиты этих звезд хорошо известны астрономам, мы знаем, что черная дыра в центре нашей галактики должна вращаться медленно. Таким образом команда определила, что спин черной дыры в самом сердце нашей галактики может быть не более 0,1 по шкале от 0 до 1, что означает, что она вращается менее чем на 10% от максимально возможного спина для черной дыры. Для сравнения, спин черной дыры М87 равен по меньшей мере 0,4.

Оглушительная тишина

В ходе работы, которая пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов AirXiv, ученые использовали расширенную версию уравнения Дрейка, написанного выдающимся астрономом еще в 1961 году. В исследовании были учтены такие факторы, как скорость появления звезд, количество планет и доля планет, на которых развивается жизнь. Отмечу, что изначально уравнение Дрейка было разработано не для того, чтобы рассчитать точное число, а скорее чтобы стимулировать дебаты о том, сколько внеземных цивилизаций может существовать поблизости.

Согласно математической модели, использованной учеными в своей работе, инопланетные цивилизации могли появиться в Млечном Пути примерно через 8 миллиардов лет после формирования галактики. Модели также предсказывают, что некоторые из этих цивилизаций могли находиться на расстоянии 13 000 световых лет от центра Галактики, что примерно на 12 000 световых лет ближе, чем Земля, на которой мы с вами, как полагают ученые, появились спустя 13,5 миллиардов лет после образования Млечного Пути.

Существует большая вероятность того, что разумные цивилизации уничтожают сами себя до того момента, как изобретут способ путешествовать по Вселенной.

Интересно, что к полученным выводам астрономы пришли после рассмотрения ряда факторов, которые нередко упускаются из виду – например, абиогенез – процесс, который представляет собой создание органических молекул силами, отличными от живых организмов, а также различные эволюционные временные рамки и вероятность потенциального самоуничтожения. Авторы также рассмотрели ряд факторов, предположительно влияющих на развитие разумной жизни – преобладание солнцеподобных звезд, вокруг которых вращаются планеты земного типа; частота взрывов сверхновых; вероятность и время, необходимые для развития разумной жизни.

Однако новое исследование отличается тем, что исследователи сконцентрировались преимущественно на факторах, способных привести цивилизации к неминуемой гибели. Среди них воздействие радиации, внезапная пауза в ходе эволюции и тенденция к самоуничтожению путем изменения климата, технологического прогресса или войны. Отсюда также следует, что любые существующие инопланетные цивилизации, скорее всего, очень молоды, поскольку самоуничтожение обычно происходит после длительного периода существования и развития цивилизации.

Возможно, мы по-прежнему одиноки, потому что инопланетные цивилизации в Млечном Пути давно погибли.

В общем и целом команда исследователей из Калифорнийского Технологического института, Лаборатории реактивного движения NASA и средней школы Сантьяго дает мрачный ответ на вопрос, сформулированный итальянским физиком, одним из отцов-основателей ядерной бомбы, Энрико Ферми «где все»? Авторы научной работы полагают, что все разумные цивилизации, существующие в Млечном Пути, возможно, уже уничтожили себя. Полученные результаты, должна сказать, выглядят убедительно – в конце-концов, Вселенная непостижимо огромна, а мы до сих пор не обнаружили никаких признаков того, что разумные живые существа есть где-то еще, кроме Земли.

Теоретическая история

В зависимости от модели изначальные черные дыры могут иметь начальную массу от 10 -8  кг (так называемые Планки мощь) до более чем тысячи солнечных масс. Однако изначальные черные дыры изначально имели массу меньше, чем10 11  кг не дожили бы до настоящего времени из-за излучения Хокинга , которое вызывает полное испарение за время, намного меньшее, чем возраст Вселенной. Первичные черные дыры небарионны и, как таковые, являются вероятными кандидатами в темную материю . Первичные черные дыры также являются хорошими кандидатами на роль зародышей сверхмассивных черных дыр в центре массивных галактик, а также черных дыр промежуточных масс .

Первозданные черные дыры относятся к классу массивных компактных гало-объектов (МАЧО). Они, естественно, являются хорошими кандидатами на темную материю: они (почти) бесстолкновительные и стабильные (если достаточно массивны), у них нерелятивистские скорости, и они формируются очень рано в истории Вселенной (обычно менее чем через одну секунду после Big Bang ). Тем не менее, критики утверждают, что жесткие ограничения на их численность были установлены на основе различных астрофизических и космологических наблюдений, что исключает их значительный вклад в темную материю в большей части вероятного диапазона масс. Однако новое исследование снова предоставило возможность, согласно которой эти черные дыры будут располагаться в скоплениях с первичной черной дырой с массой 30 солнечных в центре.

В марте 2016 года, через месяц после объявления об обнаружении Advanced LIGO / VIRGO гравитационных волн, излучаемых слиянием двух черных дыр массой 30 солнечных масс (около6 × 10 31  кг ) три группы исследователей независимо друг от друга предположили, что обнаруженные черные дыры имеют изначальное происхождение. Две группы обнаружили, что скорость слияния, полученная с помощью LIGO, согласуется со сценарием, в котором вся темная материя состоит из первичных черных дыр, если значительная их часть каким-то образом сгруппирована в гало, таких как тусклые карликовые галактики или шаровые галактики. кластеры , как и ожидалось в стандартной теории образования космической структуры . Третья группа утверждала, что эти скорости слияния несовместимы со сценарием, основанным на полной темной материи, и что первичные черные дыры могут составлять менее одного процента от общей темной материи. Неожиданно большая масса черных дыр, обнаруженная LIGO, сильно возродила интерес к первичным черным дырам с массами в диапазоне от 1 до 100 масс Солнца. Однако все еще обсуждается, исключается ли этот диапазон другими наблюдениями, такими как отсутствие микролинзирования звезд, анизотропия космического микроволнового фона , размер слабых карликовых галактик и отсутствие корреляции между рентгеновскими лучами и рентгеновскими лучами. радиоисточники в сторону центра Галактики.

В мае 2016 года Александр Кашлинский предположил, что наблюдаемые пространственные корреляции в неразрешенных гамма- и рентгеновских фоновых излучениях могут быть связаны с первичными черными дырами с аналогичными массами, если их количество сопоставимо с количеством темной материи.

В апреле 2019 года было опубликовано исследование, показывающее, что эта гипотеза может оказаться тупиковой. Международная группа исследователей подвергла теорию, выдвинутую покойным Стивеном Хокингом, самому строгому на сегодняшний день, и их результаты исключили возможность того, что первичные черные дыры размером менее одной десятой миллиметра (7 × 10 22 кг) создают вверх по большей части темной материи.

В августе 2019 года было опубликовано исследование, открывающее возможность создания всей темной материи из первичных черных дыр с массой астероидов (3,5 × 10 −17 — 4 × 10 −12 солнечных масс, или 7,0 × 10 13 — 8 × 10 18 кг).

В сентябре 2019 года в отчете Джеймса Анвина и Якуба Шольца была высказана мысль о возможности возникновения первичной черной дыры (ПЧД) с массой 5–15  M (земных масс), примерно равной диаметру теннисного мяча , существующей в расширенном поясе Койпера до объяснить орбитальные аномалии, которые теоретически являются результатом 9-й планеты Солнечной системы.

Активность сверхмассивных чёрных дыр

Большинство гигантских черных дыр ведут себя очень спокойно, ничем себя не выдавая. Малая же часть их — это феерические обжоры, которые шумно поедают материю, затягивая в свои бездонные глотки всё, что попадается им на пути. Невероятная гравитация затягивает сюда по спирали пыль и газ, и это вещество, погибая, испускает огромное количество излучения во всех частях электромагнитного спектра.

Эллиптическая галактика Лебедь А находится в 600 миллионах световых лет от нас. Это ближайшая к нам галактика, в центре которой находится активная чёрная дыра.

Черная дыра лебедь x-1

Естественно, она вызывает повышенный интерес научного сообщества. Не так давно были опубликованы результаты исследования, в ходе которого астрономы попытались выяснить, как активные галактики вроде Лебедя А генерируют вокруг себя «торы» — похожие на пончики газопылевые образования.

С помощью новейшей камеры учёным удалось впервые засечь инфракрасное излучение, испускающееся окружающим галактику тором. Эти данные впоследствии использовались, чтобы проследить за поведением магнитных полей Лебедя А.

До того как были получены результаты этого исследования, астрономы в качестве силы, кормящей чёрную дыру, рассматривали, по большому счёту, только её гравитацию. Теперь же мы знаем, что не последнюю роль в этом процессе играет и электромагнетизм. В ходе дальнейшего изучения Лебедя А и других галактик, как активных, так и нет, астрономы надеются понять природу взаимоотношений между чёрными дырами и магнитным полями.

Параллельно, возможно, удастся понять, почему такое мизерное количество сверхмассивных чёрных дыр ведёт себя активно.

Огромные черные дыры могут раскрыть тайну квазаров

Ученые очень воодушевлены обнаружением самой большой черной дыры из когда-либо известных. Дело в том, что благодаря полученным результатам, в будущем астрономы смогут лучше понять квазары — класс наиболее ярких астрономических объектов, в том числе далекие галактики, в центре которых находятся массивные черные дыры. Эти космические монстры испускают огромное количество света в процессе поглощения близлежащих объектов. Исследователи полагают, что некоторые из наиболее далеких от нас квазаров могут быть настолько яркими, что в их центрах должны существовать черные дыры, превышающие массу нашего Солнца более чем в 10 миллиардов раз. Обнаружение настолько крупной черной дыры в центре сверхскопления галактик подтверждает идею о том, как появляются квазары и эллиптические галактики. Напомним, что в сентябре NASA опубликовало видео, на котором детально изображены будни одних из самых таинственных космических объектов.

Формирование

Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы ещё нет. Существует несколько гипотез, наиболее очевидной из которых является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы. Другая гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков и их превращении в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч Солнечных масс или больше. Такая звезда быстро становится нестабильной к радиальным возмущениям в связи с процессами образования электронно-позитронных пар, происходящими в её ядре, и может сколлапсировать сразу в чёрную дыру. При этом коллапс идёт, минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться сверхмассивной чёрной дыре. Еще одна модель предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных звёздных кластеров, когда отрицательная теплоёмкость системы приводит дисперсию скорости в ядре к релятивистским значениям. Наконец, первичные чёрные дыры могли образоваться из начальных возмущений сразу после Большого взрыва.

Трудность образования сверхмассивной чёрной дыры заключается в том, что достаточное для этого количество вещества должно быть сконцентрировано в относительно небольшом объёме. Для этого у материи должен быть очень малый начальный угловой момент — то есть медленное вращение. Обычно скорость аккреции на чёрную дыру ограничена именно угловым моментом падающей материи, который должен быть в основном передан обратно наружу, что и ограничивает скорость роста массы чёрной дыры.

В наблюдаемом списке кандидатов в чёрные дыры есть провал в распределении масс. Есть чёрные дыры звёздных масс, образующиеся в результате коллапса звёзд, массы которых простираются, вероятно, до 33 Солнечных масс. Минимальная же масса сверхмассивных чёрных дыр лежит в районе 105 солнечных масс (при максимальном значении — не более 5*1010 солнечных масс). Между этими значениями должны лежать чёрные дыры промежуточных масс, но такая чёрная дыра (HLX-1, обнаруженная австралийским радиотелескопом CSIRO 9 июля 2012 года) пока известна лишь в единственном экземпляре, что является аргументом в пользу различных механизмов образования лёгких и тяжёлых чёрных дыр. Некоторые астрофизические модели, однако, объясняют характерные особенности сверхъярких рентгеновских источников, как содержащих именно такие чёрные дыры (промежуточных масс).

Черные дыры помогают галактикам эволюционировать

Не секрет, что у всех космических объектов существует свой жизненный цикл. Так, астрономы утверждают, что аномальная система, обнаруженная в ходе последнего исследования, свидетельствует об эволюции галактик. Ключ к пониманию подобных процессов — это черная дыра. Компьютерное моделирование показало, что порядка 16% галактик, которые сталкиваются друг с другом и в центре которых вращаются сверхмассивные черные дыры, будут взаимодействовать с третьей сверхмассивной черной дырой. По мнению исследователей, третья черная дыра способствует более быстрому процессу слияния галактик.

Так выглядит столкновение двух сверхмассивных черных дыр

Также данное исследование может пролить свет на «тайну последнего парсека» — она повествует о том, что в процессе слияния двух галактик, черные дыры в их центрах не сталкиваются друг с другом, а облетают преграду, таким образом формируя сдвоенную систему на расстоянии в несколько парсеков. Таким образом, третья черная дыра может их наконец объединить.