Почти все галактики содержат в своих центрах сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) – это такие чёрные дыры, массы которых простираются от 100 тысяч до 40 млрд солнечных масс.
Как они возникают, остаётся пока загадкой. Существует несколько гипотез, но ни одна из них не может пока считаться общепризнанной. Особенно загадочно существование СМЧД с массами больше 100 млн солнечных масс в те времена, когда Вселенной было от роду всего 600 млн лет. Они находятся от нас на расстояниях около 13 млрд световых лет.
В любом случае связь СМЧД с галактиками означает, что вещество, которое собирается гравитацией в процессе образования галактик “подпитывает” их чёрные дыры. Особенно много его концентрируется в центральных областях галактик.
В процессе падения (аккреции) вещества на чёрные дыры выделяется большая энергия. Например, если черная дыра “проглотит” звезду, подобную Солнцу, то в процессе “поглощения” в окружающее пространство будет высвечена энергия равная по величине той, которую произведут все звёзды нашей Галактики за сто лет!
Такая энергия возникает вследствие нагревания в потоке вещества, падающего на СМЧД. Как правило, поток сосредоточен во вращающемся диске. Его называют аккреционным диском.
Температуры достигают очень больших величин. Например, в аккреционных дисках вокруг СМЧД в квазарах температура поднимается до триллионов градусов Кельвина – это значительно больше, чем температура в центре Солнца.
Вещество в аккреционном диске вращается тем быстрее, чем ближе оно к его внутренней границе. Вблизи неё скорость вращения приближается к скорости света.
Часть энергии вращения переходит в тепло, в результате чего температура достигает таких немыслимых значений. Всё это даёт нам возможность наблюдать очень далёкие сверхмассивные чёрные дыры и определять их массу.
Надо признать, что СМЧД в нашей Галактике оказалась по каким-то, не вполне понятным пока, причинам меньше, чем “заслуживает” Галактика.
Полная масса звёзд в нашей галактики равна примерно 300 млрд масс Солнца. А масса СМЧД Sgr A* около 6 млн Солнц. То есть Галактика примерно в 100 тыс. раз больше её СМЧД.
Массы же других галактик превышают массы их СМЧД в среднем примерно в 300–1000 раз. График показывает, как это выглядит в локальной Вселенной, т.е. не очень далеко – где-нибудь в пределах одного млрд световых лет.
Соотношение на рисунке вверху показывает простую пропорциональную связь между массами СМЧД и звёздными массами “хозяйских” галактик. Несмотря на разброс значений масс СМЧД от простой пропорциональности, показанной серой полосой, можно согласиться с тем, что в среднем массы СМЧД действительно меньше звёздных масс примерно в 300–1000 раз.
Пропорциональность между массами СМЧД и звёздными массами содержащих их галактик, называемых обычно “хозяйскими”, указывает на их совместную эволюцию.
В процессе такой эволюции и звёздная часть галактик и СМЧД аккумулируют свою массу из одного и того же резервуара – вещества, которое прибывает в галактику из окружающего её пространства.
Центральная область галактики отличается от остальной её части тем, что она представляет собой “потенциальную яму”, куда “сваливается” большая масса газа и звёзд.
В галактиках с большей массой накапливается больше вещества и в её центре. А это значит, что больше газа превращается в звёзды и больше вещества попадает в зону влияния гравитационного поля чёрной дыры и поглощается ею.
То есть галактики большей массы “кормят” свои черные дыры обильнее. Это называется положительной обратной связью. Поэтому пропорциональность между массами звёздных населений и СМЧД в них кажется вполне естественной.
Однако, ситуация кажется менее очевидной, если учесть, что энергия, выделяемая чёрной дырой может оказывать – и оказывает, – сильное отрицательное влияние на окружение.
Чёрная дыра мешает появляться новым звёздам.
Своим излучением она нагревает окружающий межзвёздный газ и разрушает плотные молекулярные облака, где рождаются звёзды. Это называется отрицательной обратной связью.
Результат противодействия положительных и отрицательных обратных связей далеко не очевиден. Проблема сложнее, чем она может показаться на первый взгляд.
Казалось бы, что наблюдения процесса совместной эволюции в ранней Вселенной, то есть в те времена, когда всё было молодым и только начиналось, прольёт новый свет и поможет понять, что и как на самом деле происходит.
Не тут-то было! Результаты наблюдений ранней Вселенной только “подлили масла в огонь”. Они опубликованы Фабио Пакуччи с соавторами в одном из недавних номеров журнала Astrophysical Journal Letters (2023, 1 November).
Оказалось, что в те времена, когда Вселенная была молодой с возрастом от 800 млн до 1.5 млрд лет, отношение масс СМЧД к массам "хозяйских" галактик были существенно – по меньшей мере в 10–100 раз, – больше, чем сейчас. СМЧД тех лет быстро росли, были более “прожорливы” и поглощали иногда больше 10% массы своей “хозяйской” галактики, как показано на рисунке.
Что происходит со сверхмассивными чёрными дырами в галактиках и их звёздными населениями по мере “взросления” Вселенной, пока не совсем понятно.
Здесь очень много факторов, которые могут влиять на “игру” положительных и отрицательных обратных связей, определяющих совместную эволюцию галактик и проживающих в них СМЧД.
Существенную роль играют и условия за пределами самих галактик. Среди них важным может быть гравитационное влияние со стороны соседних галактик, наличие или отсутствие в их близкой окрестности межгалактического газа – “топлива” для поддержания их жизнедеятельности. Всё это требует дополнительного исследования.
Одна из возможных причин может быть связана с тем, как увеличивается масса СМЧД. Она, очевидно, растёт при поглощении ею вещества из окружающего пространства. Быстрее всего это происходит в плотных областях галактик – в их центральных частях.
В процессе роста чёрная дыра “блуждает” вокруг общего центра звёздного скопления, захватывая и поглощая окружающие газ и звёзды. По мере её роста зона влияния –- чёрный кружок на рисунке 6, – растёт и вещества в скоплении становится меньше.
Энергия, излучаемая растущей чёрной дырой, увеличивается и она сильнее ионизует и нагревает внешний газ. В результате этого, по прошествии времени газ вытекает из области влияния чёрной дыры, запас питания для неё уменьшается и её рост замедляется.
Тем временем масса звёздного населения галактики за пределами центральной зоны продолжает увеличиваться. Таким образом, на начальных стадиях, когда СМЧД в центре росла и достигла своего предела, её масса сравнительно с массой звёзд была больше, чем сейчас.
После того, как она “выедает” всё в своей окрестности и переходит в спящий режим, галактика продолжает увеличивать свою звёздную массу. Поэтому к современной стадии эволюции Вселенной отношение массы СМЧД к звёздной массе галактик уменьшается и приходит к его современному значению.
Таков возможный сценарий, в котором мы можем понять различия между рис. 2 и рис. 5. Соответствует ли он истинному, покажут дальнейшие исследования.
Мы будем следить.
