В начале были чёрные дыры: кто создал галактики?
Астрономы впервые смогли надежно измерить массу чёрной дыры в центре древней юной галактики, — и дыра оказалось массивнее всех звёзд галактики. Что если сверхгигантские чёрные дыры рождаются не в галактиках, а наоборот, галактики формируются вокруг них? А другое недавнее исследование предполагает, что вокруг такой дыры могут вращаться миллионы планет.
Тайна маленьких красных точек
«Маленькие красные точки», — так называют очень странный класс галактик, которые обнаружил орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб» вдобавок к прочим космическим странностям. Эти галактики существовали давным-давно, в основном, в первый миллиард лет от сотворения мира. Они очень красные, очень маленькие, но главное — очень тяжелые. Типичный радиус такой галактики — лишь 2% радиуса нашей, а то и меньше. При этом масса «маленькой красной точки» может достигать ста миллиардов звёзд размером с Солнце, то есть сравнима с массой большой спиральной галактики вроде нашей. Но как маленькие красные точки умудряются быть такими массивными?
Есть два возможных объяснения этому явлению. Согласно первому, там действительно огромное количество звёзд, но расположенных очень-очень близко друг к другу. На самом деле неясно, возможно ли вообще такое физически.
Второе объяснение тоже утверждает, что маленькие красные точки это компактные галактики, — но со сверхмассивными чёрными дырами в центре каждой. Обычно масса чёрных дыр составляет около 0,1% от массы звёзд в галактике, а тут дыра, получается, почти столь же массивная, как вся остальная галактика. Но откуда могли взяться сверхмассивные чёрные дыры в крошечных галактиках юной Вселенной?
На этот счет есть сразу несколько теорий. Одна говорит, что это чёрные дыры, возникшие еще до галактик, не после взрывов закончивших свою жизнь звёзд, а прямо из газа, наполнявшего поначалу Вселенную, — в результате прямого коллапса протогалактических газовых дисков. Согласно другой теории, образование «первичных чёрных дыр» произошло еще раньше — из-за флуктуаций плотности в самой ранней Вселенной, почти сразу после Большого взрыва. А еще есть астрофизики, которые предполагают, что Вселенная пульсирует, сжимаясь в конце цикла в одну сплошную чёрную дыру, а в новой Вселенной, то есть в начале нового расширения, эта мать всех дыр распадается на первичные чёрные дыры, вокруг которых начинают формироваться галактики. Какая бы из трех этих теорий не была верна, они сходятся в том, что галактики образуются вокруг уже готовых сверхмассивных чёрных дыр.
Перводвигатель и мировая ось
В новом исследовании астрономы проанализировали обнаруженную «Уэббом» маленькую красную точку Abell2744-QSO1. Мы видим детство этой далекой галактики, когда ей было всего 700 миллионов лет. Наблюдения показали, с какой скоростью вращается газ на разных расстояниях от ее центра, давая информацию о величине гравитационного ускорения, что позволило точно оценить массу центральной чёрной дыры. Она оказалась огромной — в 50 миллионов солнечных масс, — больше, чем масса всей остальной галактики.
Видимо, эта чёрная дыра произошла не от столкновений чёрных дыр звёздной массы, а начала формироваться раньше своей галактики-хозяина. Считалось, что сначала собирается галактика, рождаются звёзды, а потом в центре постепенно вырастает сверхмассивная чёрная дыра. Новое исследование предполагает, что в ранней Вселенной все могло происходить наоборот — галактики формировались вокруг сверхмассивных чёрных дыр, — которые, получается, теперь не прожорливые разрушители миров, а перводвигатели, основы галактического порядка, оси мироздания.
Мы пока не знаем, насколько такая схема формирования галактик типична, — касается ли она только маленьких красных точек, или всех галактик вообще. Но у гипотезы о том, что в начале были чёрные дыры, появилось подтверждение.
Фабрика планет
Вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах спиральных галактик могут существовать планетарные системы поразительных масштабов, предполагает другая работа международной команды астрофизиков под названием «Активные галактические ядра-торы: потенциальное место рождения миллионов планет», выложенная на днях на сайт препринтов arxiv.org. О гигантских системах вокруг сверхмассивных чёрных дыр астрофизики-теоретики писали и раньше, но речь шла о десятках тысяч планет, — а тут их число оценили в десятки миллионов!
Вокруг активных чёрных дыр располагаются гигантские пылевые торы — толстые кольца из газа и пыли размером в десятки световых лет. Астрономы заметили, что по температуре внешние области этих структур удивительно похожи на протопланетные диски вокруг молодых звёзд. Там тоже могут слипаться пылинки, образуя камни, а потом и планеты.
В обычной звёздной системе планете трудно вырасти в звезду, не хватит вещества. В окрестностях сверхмассивной чёрной дыры ситуация другая. Потоки газа и пыли там настолько мощные, что некоторые планеты продолжают расти, превращаясь в «суперюпитеры», затем в коричневые карлики, а в конце концов — в полноценные звёзды. Авторы даже называют этот механизм новым способом звездообразования: через стадию планеты. Получается, в центре каждой спиральной галактики вокруг чёрной дыры массой в миллионы Солнц — миллионы планет? Часть их становится звёздами, другие гибнут в столконовениях, третьи остаются планетами, четвертые, возможно, оказываются экзотическими объектами, еще не известными нам.
Они крутятся вдалеке от своего чёрного 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 «Интерстелларе» за минуты будут проходить земные годы…
Представьте главную планетную систему нашей галактики, с тысячами обитаемых миров, куда стекаются гости с периферии… Где как не здесь размещать столицу галактической империи? Непонятно, правда, будут ли на таких планетах источники энергии для жизни, подобные Солнцу. Может и наоборот, энергии будет чересчур много, — место слишком беспокойное. Свита сверхгигантской чёрной дыры, вероятно, включает не только миллионы планет, но и миллионы чёрных дыр звёздной массы.
Жернова звёздной мясорубки
В нашей галактике все вертится вокруг сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A* массой в 4 миллиона Солнц. А вблизи нее роится еще множество чёрных дыр звёздной массы. Старые расчеты показывали, что их там несколько сотен, но недавнее исследование с красивым названием «Звёздная мясорубка в центре Галактики — сверхкомпактное центральное скопление чёрных дыр звёздной массы», предполагает, что чёрных 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, — их стягивает отовсюду гравитация сверхмассивной дыры. Новая модель показала, что в такой плотной области быстро и во множестве образуются огромные звёзды. Гигантские звёзды всегда живут очень недолго, сотню миллионов лет, и, так и не долетев до пасти Стрельца A*, взрываются сверхновыми. При взрыве их ядра коллапсируют в чёрные дыры звёздной массы, а остальная часть материала разбрасывается взрывом, — и из нее тут же начинают лепиться новые звёзды. Эти звёзды снова получаются огромными, ведь в окрестностях Стрельца A* очень много постоянно притягиваемого сверхдырой и ее свитой вещества. Звёзды снова и снова взрываются, создавая новые партии чёрных дыр, — и так цикл за циклом, и с каждым циклом дыр в центре галактики становится все больше.
Постепенно столкновения между звёздами и чёрными дырами в центральной области галактики становятся обычным явлением, рабочими буднями большой звёздной мясорубки. Так что не понятно пока, стоит ли отправляться на экскурсию к центру нашей галактики.
