Большие и ненасытные: чего мы не знаем о черных дырах

Приближаясь к черной дыре, не забывайте, что это исключительно плотный и массивный объект. Ее гравитация засасывает все, что пролетает рядом, и не выпускает ничего обратно. Даже свет не может улететь с поверхности черной дыры — поэтому она и черная. Поверхность черной дыры называют горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между притяжением черной дыры и силой света, пытающегося покинуть ее. Горизонт событий проницаем лишь в одну сторону: сквозь него можно пролететь внутрь, но нельзя вылететь наружу.

Но дыры черны лишь до тех пор, пока в них ничего не падает. А в них всегда что-по падает: космическое пространство заполнено более или менее разреженным веществом, поэтому все современные черные дыры поглощают окружающее вещество.

Одни делают это активно, если рядом есть звезда, с которой удобно стягивать газ, а другие просто летают в космосе и потихоньку кормятся разреженным межзвездным газом. Поэтому любая современная черная дыра растет.

Застигнутые в момент поглощения вещества, черные дыры становятся легкой добычей для астрономов. В объективы телескопов попадаются обычно два типа черных дыр. Первый тип —сверхгигантские активные ядра галактик, пока они еще могут дотянуться до ближайших звезд. И второй тип — гораздо более скромные по размерам, но и гораздо более близкие к нам двойные системы, в которых звезда вращается вокруг черной дыры и постепенно поглощается ею. При этом вокруг дыры образуется аккреционный диск из звездного вещества, которое затягивается в дыру.

В окрестностях Солнечной системы нашли уже с десяток двойных систем, в которых черные дыры доедают звезд-компаньонов. Типичная черная дыра звездной массы — это абсолютно черный шар диаметром километров в сто. Такой небольшой дыре нужно, конечно, очень много времени, чтобы съесть целую звезду.

Саму большую дыру звездной массы в нашей галактике недавно обнаружил орбитальный телескоп Gaia. Дыра массой в 33 Солнца вращается в паре со звездой, как и другие обнаруженные дыры этого типа. По галактическим меркам, совсем недалеко от нас – до нее каких-то две тысячи световых лет (диаметр диска нашей галактики – около ста тысяч световых лет).

Совсем другое дело – сверхмассивные ультрадыры в центрах спиральных галактик. Обычно они массой в миллионы Солнц, а самая большая и тяжелая из обнаруженных царь-дыра Феникс А* — массой в сто миллиардов Солнц, с целую галактику, а диаметром в сто раз больше, чем орбита Плутона.

Такие объекты даже как-то неудобно называть «черными дырами» — они не просто излучают свет! С ними связаны самые яркие события во Вселенной (например, это мощнейшие источники излучения в радиодиапазоне – их называют квазарами).  Возможно даже, они несут жизнь: вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах спиральных галактик могут существовать планетарные системы поразительных масштабов, включающие десятки тысяч планет.

Они крутятся вдалеке от своего черного солнца – на расстоянии десятков световых лет. По расчетам, впрочем,  есть устойчивые планетарные орбиты и вблизи от черной дыры, если она вращается достаточно быстро (со скоростью, близкой к световой).

На близких к дыре планетах, как в фильме «Интерстеллар» за минуты будут проходить земные годы, — только в «Интерстелларе» вокруг сверхмассивной дыры вращаются несколько планет, а на самом деле их может быть десятки тысяч!

Быть может, в самом центре любой галактики, скрытом от наблюдателей притягиваемыми супердырой газом и пылью, располагается самая главная планетная система галактики, полную обитаемых миров, куда стекаются гости с периферии…

Как возникают черные дыры?

С дырами звездной массы ответить на этот вопрос проще, потому что мы знаем про типичный процесс их рождения: они возникают при взрыве сверхновых звезд. Но в последние годы появилось подозрение, что есть и другой способ рождения черных дыр.

Все началось с того, что европейские астрономы создали проект VASCO, занимающийся подсчетом потерявшихся звезд с 2017 года. Разве звезды исчезают? Оказалось, с тех пор около 800 звезд бесследно исчезли!

Как может исчезнуть звезда? Был известен один способ — очень большая звезда становится сверхновой – взрывается, да так, что видно даже в соседних галактиках. В итоге на месте звезды образуется черная дыра звездной массы.

Но стали появляться данные о том, что некоторые звезды могут превращаться в черные дыры и без взрыва. Перед кончиной такая звезда отбрасывает оболочку, а черная дыра, возникшая в момент смерти звезды, потом ее потихоньку засасывает. Астрофизики называют такие звезды «неудавшимися сверхновыми».

В недавнем исследовании лишь две подобных истории с массивными звездами признаны твердо подтвержденными, но авторы предполагают, что от 20% до 30% массивных звезд могут так вот бесславно закончить свою жизнь.

А откуда берутся сверхмассивные черные дыры в центрах галактик? Точно не известно, — зато это предмет увлекательных споров. По одной из теорий, это не галактики формируют сверхмассивную черную дыру в своем центре, а наоборот, дыра формирует вокруг себя галактику.

Например, астрофизик из Смитсоновского института Фабио Пачуччи считает, что первые черные дыры образовались раньше галактик в результате прямого коллапса газа, наполнявшего поначалу Вселенную. А галактики образовались вокруг «первичных черных дыр» под влиянием их притяжения.

Возможно, первичные черные дыры появились уже в первые моменты после рождения мира, еще даже до первых атомов! А потом были сотни миллионов лет, когда звезд еще не было, и Вселенная представляла из себя мир черных дыр.

Некоторые астрофизики предполагают, что именно в первичных черных дырах прячется вся темная материя. Поиск темной материи – одна из главных проблем нынешней научной картины мира: ведь судя по вращению галактик, в окружающем нас мире материи в пять раз больше по массе, чем мы видим.

Наконец, есть астрофизики, которые предполагают, что Вселенная пульсирует, сжимаясь в конце цикла в одну сплошную черную дыру, а в новой Вселенной, то есть в начале нового расширения, эта мать всех дыр распадается на первичные черные дыры, вокруг которых начинают формироваться галактики.

Мы в черной дыре?

Что находится в центре черной дыры и куда пропадает вся материя, которую дыра поглощает, для ученых загадка. Есть теории, согласно которым эта материя изливается в другой мир, создавая его Большим взрывом, инфляцией, или иным путем.

То есть каждая черная дыра ведет в новую Вселенную, ну или на дне каждой черной дыры живет по Вселенной. Но в тех Вселенных, конечно, свои черные дыры, ведущие в новые Вселенные – такая вот матрешечная бесконечность получается, метавселенское решето, пространственно-временной фрактал.

А недавно вышла работа, добавляющая аргументов гипотезе, что и наша Вселенная возникла в черной дыре. Астрономы рассмотрели с помощью телескопа «Уэбб» направление вращения 263 галактик: оказалось, что две трети из них вращаются по часовой стрелке, и лишь треть – против. Случайно так получиться не могло, что то задало общее направление вращения.

«Одно из возможных объяснений этого — в том, что Вселенная родилась вращающейся. Это объяснение согласуется с «космологией черной дыры», — теорией, которая постулирует, что вся Вселенная является внутренней частью черной дыры», — говорят исследователи. Впрочем, не расстраивайтесь и не спешите в банк за деньгами, — это только гипотеза, и аргументов в ее пользу пока не так много, к тому же данная работа критикуется многими астрофизиками за небрежность методологии.

В жерновах галактической мясорубки

В нашей галактике все вертится вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец A* (ее масса составляет 4 миллиона Солнц). Оказывается, вокруг нее роится еще множество черных дыр звездной массы. Предыдущие расчеты показывали, что их там несколько сотен, но новое исследование с красивым названием «Звездная мясорубка в центре Галактики — сверхкомпактное центральное скопление черных дыр звездной массы», предполагает, что черных дыр при дворе сверхдыры намного больше – не сотни, а сотни миллионов на кубический парсек.

Дело в том, что область вокруг Стрельца A* полна газа и пыли, которые стягивает отовсюду этот галактический пылесос. Новая модель показала, что в такой плотной области быстро и во множестве образуются огромные звезды. Гигантские звезды всегда живут очень недолго, сотню миллионов лет, и, так и не долетев до пасти Стрельца A*, умирают как сверхновые.

При взрыве их ядра коллапсируют в черные дыры звездной массы, а остальная часть материала разбрасывается взрывом, — и из нее тут же начинают лепиться новые звезды. Эти звезды снова получаются огромными, ведь в окрестностях Стрельца A* очень много постоянно притягиваемого сверхдырой и ее свитой вещества.

Звезды снова и снова взрываются, создавая новые партии черных дыр, – и так цикл за циклом, и с каждым циклом дыр в центре галактики становится все больше. Постепенно столкновения между звездами и черными дырами в центральной области галактики становятся обычным явлением, рабочими буднями большой звездной мясорубки. Ее жернова перемалывают не все звезды, — многие с огромной скоростью выбрасываются из плоскости галактики, и кружат в ее гало.

Кстати, с учетом этого гало наша галактика — не плоская, а скорее шарообразная. А еще она в 10 раз больше, чем считалось, — такой вывод пару лет назад сделали исследователи галактического гало. Это огромное шарообразное облако из звезд, окружающее диск Млечного Пути — хоть звезды и встречаются в нем намного реже, чем в диске.

Диаметр диска нашей галактики – сто тысяч световых лет, а самая дальняя из звезд гало – на расстоянии в миллион световых лет, на полпути между Млечным Путем и Андромедой.

«Наша работа по-новому определяет границы галактики, — говорит один из исследователей. — Наша галактика и Андромеда так велики, что между ними почти нет «ничейного» пространства».

Несмотря на огромные размеры, гало включает лишь 1% звезд Млечного Пути (эти белые карлики — самые старые звезды в галактике), а потому светится гораздо меньше диска и незаметно при наблюдениях в оптическом диапазоне.

Извержение из черной дыры

Недавно астрономам удалось заснять потоки вещества, которые извергает сверхмассивная черная дыра, – такая есть в центре любой спиральной галактики, и, пока молода, поедает звезды, — торопливо, но неряшливо, разбрасывая по окрестностям материю.

Инструмент MUSE на Очень Большом Телескопе в чилийской пустыне Атакама запечатлел крупным планом мощнейший «галактический ветер» (по аналогии с солнечным ветром), испускаемый активным ядром галактики NGC 4945, — сверхмассивной дырой, пожирающей звезды и межзвездное вещество.

На изображении само активное ядро галактики закрыто пылью и газом, притянутыми гравитацией черной дыры, зато видны выбрасываемые сверхдырой яркие конусообразные струи вещества – галактический ветер. Эта плазма и пыль движутся так быстро, что покидают галактику и выбрасываются в межгалактическое пространство.

«В результате материал для звездообразования выбрасывается из галактики. Так черные дыры контролируют судьбу своих галактик, снижая скорость рождения звезд. Это также показывает, что сверхмассивные черные дыры препятствуют собственному росту, удаляя часть газа и пыли, которыми они питаются, и приближая всю систему к своего рода галактическому равновесию»,

— пишут астрономы. Приятно, что хоть сверхмассивная черная дыра контролирует свой вес. Да еще и присматривает за равновесием во всей галактике!