Уже давно известно, что чёрные дыры (ЧД) не только предмет фантазий теоретиков, но и реально существуют в природе. Почти пять лет назад было получено “изображение” сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87. Совсем недавно – и в нашей Галактике. Может показаться, что с ними в общих чертах всё понятно. О некоторых аспектах этого упоминалось в статье "Считаем, сколько чёрных дыр в нашей Галактике". Однако есть немало вопросов, что требует отдельного внимания и обсуждения.
Если говорить коротко, то чёрная дыра это такое тело, которое своей гравитацией захватывает всё, что попадает в область её влияние, даже невесомые кванты.
Чёрные дыры различаются своей массой и скоростью вращения.
Во Вселенной их много самых разных. Но нам пока уверенно известно только о чёрных дырах двух классов. Одни с массами, близкими к массам обычных звёзд – звёздными ЧД. Другие - это сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) с массами от сотни тысяч до нескольких млрд масс Солнца. С давних пор обсуждаются также ЧД с “промежуточными” массами, то есть такие, которые не являются ни “звёздными”, ни сверхмассивными, а находятся между ними.
В нашей Галактике чёрных дыр около 150 миллионов, из них, однако, мы видим всего около 20 штук. Идентифицировать их очень непросто. Сверхмассивных ЧД существенно меньше – примерно по одной на каждую галактику.
Чёрные дыры “растут” – увеличивают свою массу, за счёт поглощения вещества из окружающего их пространства, то есть аккреции. Это может быть газ, окружающий их, вращающиеся вокруг них звёзды или другие чёрные дыры.
Это занимает время. Например, темп аккреции на СМЧД в нашей Галактике – Стрелец A* (Sagittarius A* – SgrA*) равен ежегодно примерно одной стомиллионной доли массы Солнца. Это означает, что СМЧД SgrA*, имеющая сейчас массу 4 миллиона масс Солнца, через 100 млн лет увеличится всего на одну массу Солнца. Это в самом деле очень медленно.
Немного лучше дела с СМЧД в галактике M87. Она поглощает ежегодно одну тысячную долю массы Солнца и сможет увеличить свою массу на одну солнечную через тысячу лет. Это при том, что нынешняя масса СМЧД M87* равна 6 млрд масс Солнца!
Легко видеть, что процесс увеличения масс СМЧД очень неспешный, но и у нашего Стрельца A* и у M87* было много времени. Однако…
Около десяти лет назад произошло одно событие. Сверхмассивные чёрные дыры с массами в миллиард масс Солнца были обнаружены в очень далёкой Вселенной. Свет от нее к нам шел 13 млрд лет. Она испустила свет, когда она была совсем молодой – всего 600 млн лет.
В те времена СМЧД были монстрами, пожирающими огромные массы вещества. Их массы должны были увеличиваться ежегодно примерно на 1 – 2 массы Солнца. И это при условии, что процесс роста таких чёрных дыр начался бы в момент рождения Вселенной.
Это выходит за все разумные рамки. Как свидетельствуют наблюдательные данные, первые объекты во Вселенной могли возникнуть не ранее чем в те эпохи, когда ей было около 200 млн лет. В таком случае растущие СМЧД должны были бы поглощать ежегодно в полтора раза больше массы, то есть 1.5 – 3 массы Солнца.
Обеспечить такой большой приток массы невозможно, если начальным зародышем является “звёздная” чёрная дыра, она просто “захлебнётся”.
Проблема здесь в том, что при падении на черную дыру вещество нагревается до очень высоких температур (об этом можно прочесть в статье Считаем, сколько чёрных дыр в нашей Галактике ). Возникающее при этом излучение стремится вырваться наружу, пока чёрная дыра не успела поглотить его вместе с горячим веществом . Чем больше на чёрную дыру падает вещества, тем больше исходящий поток излучения.
Этим ограничивается темп роста массы чёрной дыры. Максимально возможный темп определяется пределом Эддингтона – выдающегося английского астрофизика. Противодействие излучения падающему потоку иллюстрируется на рис. 1.
Чтобы противодействовать излучению, выходящему от падающего вещества, нужна более сильная гравитация. Иными словами, чтобы обеспечить большой темп аккреции и увеличение массы ЧД, она сама должна изначально иметь существенно большую массу, чем звёздная. Нужен массивный “зародыш” в виде чёрной дыры.
Это выглядит парадоксом. Чтобы масса чёрной дыры увеличивалась с необходимой скоростью, она должна быть существенно массивнее, чем она есть, в 10 – 100 тысяч больше звёздной массы.
Возможное решение проблемы космических “монстров” было найдено в гипотезе о рождении массивных ЧД в процессе “прямого коллапса”. Гипотеза была предложена в тот же период, когда такие гигантские чёрные дыры были обнаружены.
Она заключается в том, что при определённых условиях в молодой “двухсот-миллионолетней” Вселенной определённые области газа не могут охлаждаться до таких температур, чтобы в них появлялись звёзды. Вместо этого они сжимаются “монолитно”, как единое целое и приводят к образованию чёрной дыры с массой от 10 до 100 тысяч масс Солнца. Это и есть те самые “зародыши”, которые в последующие 100 – 200 млн лет могут привести к рождению чёрной дыры – монстра.
Примеры таких областей появлялись в вычислительных экспериментах по моделированию газа и тёмной материи в ранние эпохи эволюции Вселенной. (О тёмной материи мы писали ранее в статьях Евклид взвешивает Вселенную и Тёмной материи в Галактике стало меньше) Эти области отличались от других низкой скоростью охлаждения газа из-за недостатка молекулярного водорода. Молекулы водорода способны охлаждать газ, переводя тепловую энергию в инфракрасное излучение. Если этого не происходит, то звёзды не могут в нём рождаться – их образованию препятствует давление газа.
Поэтому в таких областях не могли бы получаться обычные галактики. Под действием гравитации они могли только сжиматься как целое, “монолитно”.
Эта теоретическая концепция долгое время оставалась гипотезой. Но, если долго и внимательно смотреть в небо, то доказательство там найдется.
Недавно в журнале Nature Astronomy (2024, первый автор A. Bogdan) появились первые свидетельства обнаружения совсем “юной” галактики с чёрной дырой – возраст Вселенной в эту эпоху 480 млн лет. Этого времени уже достаточно, чтобы “зародыш” чёрной дыры превратился в СМЧД с массой около 30 млн масс Солнца. Более того, масса окружающей галактики сравнима с массой черной дыры.
Это косвенно указывает на то, что первой возникла чёрная дыра, а уже вслед за ней и под её влиянием сформировалась и галактика.
Результаты получены с помощью космических телескопов Chandra и JWST (James Webb Space Telescope), рис. 2.
Есть надежда, что скоро вуаль с загадочных “монстров” в очень далёкой Вселенной будет снята. Будем следить за историей.