Уже десять лет как астрономы выяснили, что в центре почти всех крупных галактик расположены огромные черные дыры — космические объекты с таким сильным гравитационным полем, что даже свет не в силах из них вырваться. Находясь в финальной стадии своей эволюции, звезды могут превращаться в небольшие черные дыры с массой, превышающей массу нашего Солнца в 3-100 раз. нота-кие черные дыры с массой, сравнимой с массой звезд. — просто лилипуты по сравнению с чудовищными великанами. расположенными в центрах галактик, масса которых измеряется миллионами и миллиардами Солнц.Изучение свсрхмассивных черных дыр представляет собой сложную головоломку. Почему они так широко распространены в галактиках? Что возникло сначала — галактика или черная дыра? И прежде всего: как они образовались?
Еще более загадочно то, что черные дыры появились уже тогда, когда Вселенная была еще очень молода. Так. в июне прошлого года астрономы сообщили, что самый ранний экземпляр из обнаруженных до сих пор. черная дыра массой примерно 2 млрд солнечных масс, существовала еще 13 млрд лет назад, спустя всего каких-то 770 млн лет после Большого взрыва. Как черным дырам удалось набрать подобную массу так быстро?
Столь большая скорость роста ставит в тупик, ведь хотя черные дыры имеют репутацию мощнейших пылесосов». они могут вести себя как огромные пневмомаши-ны для очистки канав от листьев. Газ. устремляющийся к черной дыре, в конце концов закручивается вокруг нее в виде гигантского так называемого аккреционного диска. Вещество нагревается и начинает излучать, особенно когда оно приближается к точке невозврата у внутренней кромки диска. Это излучение отталкивает падающее на черную дыру вещество, уменьшая тем самым скорость ее роста. Физики вычислили, что масса черной дыры, «засасывающей» окружающее ее вещество непрерывно и с максимально возможной скоростью, будет удваиваться каждые 50 млн лет. Такая скорость слишком мала для того, чтобы «зародышевая» черная дыра звездной массы смогла вырасти в чудовище размером с миллиард Солнц за время менее миллиарда лет.
Астрофизики предложили два возможных сценария образования черных дыр. Первый, обсуждаемый уже в течение многих лет. предполагает, что на первом этапе гигантские черные дыры действительно были остатками звезд. Самые первые звезды, образовавшиеся во Вселенной. вероятно, были необычайно массивными по сравнению с появившимися позже, такими как наше Солнце. Это связано с тем. что в первичных газовых облаках не было тяжелых элементов, которые способствовали бы охлаждению газа и образованию небольших сгустков. Такие огромные звезды должны были быстро выгореть и превратиться в черные дыры с массой примерно в 100 раз большей, чем у нашего Солнца. Но тогда какие-то процессы должны были вызвать ускоренный рост таких объектов— быстрее, чем при обычной аккреции. Например, если бы большая черная дыра образовалась в плотном звездном кластере, она должна была бы в конце концов оказаться вблизи его центра вместе с другими массивными звездами и черными дырами. В этом случае она имела бы шанс быстро вырасти до размера в 10 тыс. солнечных масс, поглощая другие черные дыры, и таким образом превысить предел нормальной скорости роста.
Дальнейший рост до масштаба свсрхмассивной мог бы продолжиться за счет обычной аккреции, при атом, конечно. отнюдь не исключается и возможность поглощения сю других достаточно больших черных дыр.
Когда астрономы выяснили, что большие сверхмассивные черные дыры появились очень давно, они заинтересовались. может ли сколлапсированная массивная звезда достаточно быстро нарастить такую массу, даже пройдя в начале жизни стадию сверхбыстрого роста. Начались поиски альтернативных путей образования зародышевых черных дыр и механизмов, формирующих более массивные черные дыры, чем тс. которые могли образоваться в результате смертельной агонии звезд.
Ученые предложили модели образования более крупных зародышей черных дыр. не требующие наличия звезд-посредников. Так. достаточно большое газовое облако могло бы непосредственно сжаться до состояния черной дыры масштабнее тех. что рождаются в результате смерти звезды. Формируя зародыши массой от 10 тыс. до 100 тыс. Солнц, этот процесс несколько уменьшает время образования сверхмассивных черных дыр на ранних этапах. Такой непосредственный коллапс сегодня во Вселенной уже не происходит, но когда Вселенная была молодой, условия были совершенно иными.
К сожалению, пока не ясно, какой из этих двух сценариев реализовался в действительности — образовались ли небольшие зародышевые черные дыры в результате смерти звезд, или же они появились на свет уже большими как продукт имплозии газового облака. Хотя астрономы могут заглядывать далеко назад во времени. всматриваясь в удаленные уголки космоса с помощью телескопов, пока нельзя даже надеяться зафиксировать акт формирования зародышевых черных дыр. Даже самые большие зародыши слишком малы, чтобы их можно было бы увидеть на таком расстоянии. (Космический телескоп им. Джеймса Уэбба мог бы их обнаружить. но он будет запущен не ранее 2018 г.. да и то если выживет в политических баталиях вокруг финансирования его постройки.) Поэтому мои коллеги и я выбрали другую стратегию: искать зародышевые черные дыры, по той или иной причине не ставшие сверхмассивными, но сохранившиеся до настоящего времени в своих изначальных размерах.
Если зародыши образовались в результате эволюции звезд, то можно ожидать найти их достаточно много как в центре, так и на периферии галактик, потому что звезды. из которых они образовались, могли умереть в любой точке галактики. Следовало также ожидать обнаружения непрерывного диапазона масс черных дыр от 100 до 100 тыс. масс Солнца, поскольку рост черной дыры мог прерваться из-за отсутствия «пищи- на любой стадии ее превращения в сверхмассивную. И наоборот. если бы зародышевые черные дыры образовывались главным образом путем непосредственного коллапса газового облака, то такие «недоразвитые» черные дыры были бы очень редки. Процесс непосредственного коллапса, если бы он и происходил, случался бы гораздо реже, нежели смерть обычной звезды. И вместо широкого диапазона масс мы бы обнаружили, что большинство недоразвитых черных дыр будут «тяжелее», чем 100 тыс. Солнц (теоретические модели говорят, что это скорее всего и есть типичная масса зародыша, образовавшегося путем прямого коллапса).
Поэтому я. как и другие астрономы, исследовала небо в поисках нового типа черных дыр. массой больше, чем звездная, но и не сверхмассивных, а где-то посередине — так называемых черных дыр промежуточной массы или «средней весовой категории». Мы стремились посмотреть, чему больше соответствует диапазон их размеров и распространенность. — модели звездного коллапса или коллапса газового облака. Когда примерно десять лет назад мы начали эту работу, она не выглядела многообещающей. Астрономы знали лишь одну черную дыру средней весовой категории и считали ее исключением из общего правила. С тех пор. однако, мы нашли их сотни.
Что считать средней весовой категорией? В данной статье под этим термином я буду подразумевать черную дыру с массой ориентировочно между 1 тыс. и 2 млн масс Солнца. Верхний предел до некоторой степени произволен, но это позволяет исключить самые малые сверхмассивные черные дыры, такие хорошо известные. как черная дыра в 4 млн солнечных масс, расположившаяся в центре нашей Галактики. В любом случае в силу самой своей природы эти границы расплывчаты. На практике первые измерения масс таких объектов часто дают очень неопределенные результаты — так. массы черных дыр — «середнячков», полученные в первой серии наших измерений, как оказалось, были завышены вдвое. Это было обнаружено после того, как мы усовершенствовали технику наших измерений. Точные границы диапазона не играют особой роли до тех пор. пока мы изучаем все семейство черных дыр по нисходящей, начиная с диапазона легких сверхмассивных. Но даже то. что нам удалось выяснить до сих пор. позволило по-новому взглянуть на взаимодействие черных дыр и галактик, в которых они расположены.
Неуловимые середнячки
Черные дыры могут проявить себя множеством способов. Например, звезды, сгрудившиеся на орбитах вокруг самого центра галактики. — явный признак затаившейся в ней сверхмассивной черной дыры. Однако объекты «середнячки» слишком малы, чтобы с помощью гравитации выдать свое присутствие подобным образом. Поэтому мы фокусируем свое внимание на «активных» черных дырах — тех. которые «пожирают» материю. — поскольку падающее на них горячее вещество излучает свст колоссальной яркости.
За несколько десятилетий наблюдений астрономы обнаружили. что активные черные дыры, как правило, обитают в галактиках вполне определенного типа. Галактики, особенно массивные, бывают двух основных типов. Некоторые, такие как наша, представляют собой большой вращающийся звездный диск. Такие дисковые галактики, если посмотреть на них сбоку, похожи на неглубокие тарелки. Другие, так называемые эллиптические галактики, в большинстве своем выглядят как шары из звезд. В центре некоторых дисковых галактик расположены эллиптические галактики, которые называются выпуклостями или звездными балджами. Активные черные дыры чаще всего находят в больших эллиптических галактиках и в дисковых галактиках с большими балджами. Почти каждый балдж. расположенный достаточно близко, чтобы можно было исследовать его детали, оказывается пристанищем для черной дыры массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс. Более того, чем больше балдж. тем больше черная дыра: масса черной дыры обычно составляет одну тысячную массы балджа. Такая поразительная корреляция — что само по себе загадка — дает основания полагать, что галактики и сверхмассивные черные дыры эволюционировали совместно, путем, который астрофизики пока еще не выяснили. Проще говоря. эта модель подсказывает, где искать черные дыры-«середнячки»: в самых маленьких галактиках. Но в каких именно?
Идею подсказала одна небольшая загадочная галактика. Руководитель моей диссертационной работы. Луис Хо (Luis С. Но) из Обсерваторий института Карнеги в Пасадене. еще в 1995 г.. работая над диссертацией, изучил более 500 ближайших ярких галактик. Он обнаружил, что большинство галактик с большими балджами содержат активные черные дыры, а галактики без балджей — нет. за единственным интересным исключением. Галактика NGC 4395 — это дисковая галактика с активной черной дырой, у которой совсем нет балджа. Научный руководитель самого Хо отмстил эту странность еще в 1989 г.. но большинство ученых сошлись на том. что это скорее аномалия. Обзор Хо подтвердил общее правило: черные дыры не обнаруживаются в галактиках бел балджей. за исключением NGC 4395.
Точная оценка массы черной дыры NGC 4395— задача. потребовавшая значительных усилий. Большинство астрономических методов непосредственного измерения предполагают измерение параметров орбитального движения. Например, скорость планеты и размер орбиты, по которой она вращается вокруг своего солнца, позволяют нам вычислить массу солнца. Аналогично, зная параметры орбиты звезд в галактике, можно оценить массу черной дыры, но только в том случае, если она достаточно велика, чтобы эффекты ее гравитации были различимы в астрономических наблюдениях движения звезд. Объект NGC 4395 слишком мал.
D таких случаях астрономы пользуются косвенными методами. Например, мощность рентгеновского излучения. исходящего от черной дыры, изменяется во времени. и чем больше излучающий объект, тем медленнее скорость таких изменений. В 2003 г. Дэвид Ши (David С. Shlh) с коллегами, работавший в то время в Кембриджском университете, обнаружил, что мощность рентгеновского излучения, приходящего от NGC 4395. изменяется достаточно быстро, и поэтому черная дыра должна быть относительно небольшой— вероятнее всего, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс. В том же 2003 г. Хо другим методом получил оценку ее массы, лежащую в этом же диапазоне.
Измерение ее массы другим методом было проведено в 2005 г. Брэдли Питсрсоном (Bradley М. Peterson) с коллегами из Университета штата Огайо. Они воспользовались космическим телескопом «Хаббл» и методом, получившим название «эхокартирование» (Соответствующий русскоязычный термин еще не устоялся. Иногда его переводят кок 'реверберационное картог/юфи/хж!-и иск — Прим. пер.), в основе которого лежит измерение орбитального движения газовых облаков вокруг черной дыры, аналогично тому, как для вычисления массы Солнца измеряют параметры орбитального движения планет. Измерение времени светового эха от облаков позволяет вычислить диаметр орбит. Питсрсон с коллегами обнаружили, что черная дыра имеет массу в 360 тыс. солнечных масс. Но даже такой метод даст большую неопределенность в массе: ошибка может быть в три раза — из-за исходных допущений, которые используются при расчетах.
Оказывается, галактика без балджа NGC 4395 «прию-тила» как раз такую черную дыру промежуточной массы. которую мы и искали. Из всех 500 галактик, которые изучал Хо. она оказалась единственной без балджа и с явным свидетельством присутствия активной черной дыры. Вторая была обнаружена в 2002 г. Аарон Барт (Aaron J. Barth), в то время работавший в Калифорнийском технологическом институте, воспользовался телескопом «Кек //» на Гавайях, чтобы получить спектр необычной малоизученной галактики РОХ 52.
Как и iVGC 4395. эта галактика демонстрировала ряд признаков существования активной черной дыры, хотя и не была в списке основных подозреваемых обладателей сверх массивной черной дыры (это редкий тип галактики. известный как сфероидальная галактика, которая отличается и от дисковых с балджем. и от эллиптических галактик).
Барт послал только что полученный спектр галактики РОХ 52 Хо. который, лишь взглянув на него, сразу же спросил Барта: «Где ты нашел такой замечательный спектр NGC 4395?' Спектры двух разных космических объектов выглядели настолько одинаково, что Хо не смог их различить. (Именно характерные признаки в спектре указывают на присутствие черной дыры.)
Поскольку РОХ 52 находится на расстоянии 300 млн световых лет (в 20 раз дальше, чем NGC 4395). оценки массы ее черной дыры астрономы выполнили еще более хитроумными методами. Тем не менее большое количество данных свидетельствует, что эта галактика «укрыла» черную дыру массой примерно в 100 тыс. Солнц. Черные дыры «средней весовой категории» в галактиках без балджей теперь образуют класс из двух объектов.
Конечно, чтобы решить более сложную проблему, как сформировались зародыши сверхмассивных черных дыр. требуется большее количество таких «середняков». Иначе трудно ответить на множество элементарных вопросов. Насколько типичны черные дыры промежуточной массы? Всякая ли галактика без балджа содержит такой объект, или в большинстве из них они все же отсутствуют? Есть ли такие черные дыры промежуточной массы где-либо еще? И ожидает ли нас в будущем находка образцов еще меньших, чем эти две? Только ответив на них. х<ы. возможно, сумеем понять, как сформировались зародыши и какую роль они играли в ранней Вселенной.
Охота на черные дыры
К сожалению, стандартные астрономические методы плохо приспособлены к поиску черных дыр промежуточной массы. Чем большими размерами обладает такой объект, тем больше он может «заглотить» и тем ярче светиться. Небольшие черные дыры более тусклы, и поэтому их трудно обнаружить. Но дело осложняется еще вот чем. Эллиптические галактики, в которых имеют обыкновение находиться большие черные дыры, ведут себя необычайно хорошо. В таких галактиках не очень много газа и не образуются новые звезды, а значит, мы имеем ясный и ничем не затуманенный вид на центр галактики. Наоборот, в галактиках с преобладанием дисковой структуры (таких, в которых, по нашему подозрению. возможно, обычно и скрываются черные дыры промежуточной массы) часто рождаются звезды, и свет этих молодых звезд, а также связанные с ними газ и пыль могут спрятать активную черную дыру.
Чтобы преодолеть подобного рода препятствия, в 2004 г. Хо и я обратились к бесценной библиотеке данных, предназначенной для поиска иголок в космическом стоге сена — к Слоуновскому цифровому обзору неба (Sloan Digital Sky Survey. SDSS). С 2000 г. телескоп в штате Нью-Мексико, используемый в этом проекте, отснял изображения более чем четверти небесной сферы и запечатлел спектры миллионов отдельных звезд и галактик.
Мы изучили 200 тыс. спектров галактик и обнаружили 19 новых кандидатов. похожих на NGC 4395. — небольших галактик, содержащих активные черные дыры с массами, по нашей оценке, менее 1 млн солнечных масс. Аналогичные исследования в течение последних нескольких лет. в которых были использованы более свежие данные Слоуновского обзора, позволили расширить круг «подозреваемых» до примерно трех десятков черных дыр с массами менее миллиона солнечных и более 100 с массами, чуть превышающими этот порог.
Метод, использованный для оценки масс. — косвенный. Слоуновскис спектры показывают нам величину скорости горячего газа, обращающегося вокруг черной дыры. Но это лишь часть информации, необходимой для расчета непосредственно массы этого объекта (вторая половина— диаметр орбиты). Тем не менее астрономы из наблюдений активных черных дыр с массой в диапазоне от миллиона до миллиарда солнечных масс знают, как скорость газа обычно соотносится с массой черной дыры (чем меньше масса, тем медленнее движется газ). Экстраполяция на черные дыры меньшей массы дает нам возможность отыскать наших маленьких приятелей в данных SI)SS.
Эти поиски подтвердили наши догадки, основииные на исследовании объектов NGC 4395 и РОХ 52: существует более обширная популяция черных дыр промежуточной массы. Ожидаемым результатом было бы нахождение этих объектов в галактиках без балджей. Тем не менее такие черные дыры, по-видимому, все-таки очень редки. Лишь одна из каждых 2 тыс. галактик достаточно ярких, чтобы попасть в Слоуновский обзор, демонстрирует свидетельства присутствия активной черной дыры промежуточной массы.
Однако исследования в рамках программы SDSS. возможно, позволяют фиксировать далеко не все черные дыры. Исследования проводятся исключительно в оптическом диапазоне (диапазон длин волн, который видит наш глаз), и не исключено, что пылевые облака надежно укрывают множество черных дыр от нашего взгляда. Чтобы обойти это препятствие, астрономы исследуют излучение галактик в диапазонах таких длин волн, которые могут почти беспрепятственно пройти через пыль— рентгеновское излучение, радиоволны и инфракрасное излучение средневолновой области. Шобита Сатьяпал (Shobita Satyapal) из Университета Джорджа Мсйсона и ее сотрудники использовали средневолновое инфракрасное излучение в поисках признаков скрытых активных черных дыр в галактиках без балджей. Экстремальное ультрафиолетовое излучение. исходящее от вещества, устремляющегося к черной дыре, вызывает ионизацию молекул в газовом облаке, порождая необычные химические соединения, такие как возбужденные состояния высокоионизированных атомов неона. Излучение этих ионов оетавляет характерные «отпечатки пальцев» в спектрах средневолнового инфракрасного излучения. Такого рода поиски удаются в относительно небольшом числе галактик — группа Сатьяпал обнаружила всего несколько новых активных черных дыр — «середнячков». Астрономы нашли признаки черной дыры промежуточной массы или сверхмассниной черной дыры, исследуя галактики в рентгеновском и радиодиапазонах, и дополнительные наблюдения для подтверждения этих кандидатов сегодня продолжаются.
Эти результаты говорят, что ведя поиск лишь в оптическом диапазоне, мы можем упустить множество галактик без балджей. которые скрывают свои черные дыры — середнячки" пылевыми облаками, новее же не так уж и много, чтобы такие черные дыры промежуточной массы стали обычным явлением. Вердикт еще не вынесен, но. вероятно, лишь от 5 до 25% галактик без балджей дали прибежище черным дырам промежуточной массы, достаточно большим, чтобы их можно было бы обнаружить.
Растущие галактики и черные дыры
Наблюдения черных дыр промежуточной массы в галактиках. не имеющих балджей. могут пролить свет на связь между более крупными черными дырами и большими балджами. Как я уже отмечала, сверхмассивные черные дыры в массивных галактиках с балджами обычно имеют массу примерно в одну тысячную массы балджа. Рост сверхмассивных черных дыр очевидно, тесно связан с ростом окружающего его балджа. Если связь между черными дырами и галактиками во время формирования балджа и существует, то корреляции между свойствами галактик, не имеющих балджей. и находящимися в них черными дырами — «середнячками» быть не должно.
Наиболее правдоподобная теория, объясняющая корреляцию. наблюдающуюся в галактиках сбалджа-мн. утверждает следующее: эллиптические галактики и большие балджи образуются, когда сливаются две дисковые галактики. Во время слияния гравитационные силы расшатывают их. и звезды движутся уже не в плоскости диска, а по орбитам, расположенным случайным образом внутри шара (форма в виде эллипса или выпуклости). Газовые облака во время слияния соударяются и в форме воронки устремляются к центру балджа. запуская основной механизм формирования звезды, который увеличивает суммарную массу звезд в балдже. Одновременно черные дыры каждой из галактик сливаются и засасывают часть газа, находящегося в центре галактики. Так за счет подобного рода крупномасштабных процессов, идущих при слиянии галактик.
могут происходить совместный рост и эволюция крупных балджей и сверхмассивных черных дыр. К моменту. когда масса черной дыры достигнет тысячной массы балджа. на первый план выходят явления, выталкивающие газ из центра галактики и прекращающие ее бурный рост.
Черным дырам промежуточной массы и галактиках без балджей. вроде NGC 4395. так и не пришлось испытать радость подобного галактического пиршества. Вместо этого они остались недоразвитыми зародышами, которые немного подросли, лишь случайно -лакомясь» газом в центре галактики: закуска, которая не связана непосредственно с событиями, сформировавшими эволюционные процессы в галактике. В некоторых галактиках, не имеющих балджей. возможно, черные дыры так и не смогли подрасти. Такая ситуация сложилась в чисто дисковой галактике МЗЗ (по физическим характеристикам во многом схожей сЛ'СС 4395). которая, очевидно, не содержит черной дыры более массивной, чем 1.5 тыс. Солнц. Число доказательств в пользу картины, связывающей рост черной дыры с формированием балджа. увеличивается. но множество деталей еще требуют проработки. и дело пока закрыто не полностью.
Что касается вопроса, как образуются черные дыры-зародыши. то редкость черных дыр промежуточной массы свидетельствует в пользу теории непосредственного коллапса газовых облаков в ранней Вселенной. Если бы зародыши возникли в результате звездного коллапса. то следовало бы ожидать, что почти в центре каждой из этих галактик расположена черная дыра массой по крайней мере в 10 тыс. Солнц. Но преимущественное количество небольших галактик, у которых балдж отсутствует. по-видимому, не имеют такой черной дыры в своем центре.
В пользу сценария непосредственного коллапса свидетельствуют и другие факты. В частности, слабая корреляция масс черных дыр — «середнячков» с массами галактик. в которых они расположены, хорошо укладывается в его предсказания. А сотворить черную дыру массой в миллиард Солнц намного легче, если сами зародыши уже достаточно массивны.
Конечно, но мерс поступления новых данных, выводы, сделанные в настоящее время, вероятно, претерпят изменения. Например, если бы астрономы вглядывались в галактики слегка более тусклые, чем тс. спектры которых изучались вСлоуновском обзоре, то доля галактик с черными дырами промежуточной массы, возможно. и выросла бы. Или. наоборот, упала. Возможно и то. что в некоторых галактиках черные дыры — «середнячки» расположены не в центрах. Поиск черных дыр промежуточной массы сегодня продолжается по многим фронтам. Детально это описано на сайте Scientific American: wtvw.Srtent\flcAmericanxom/Jan20l2/black-holes.
Пока же много критических вопросов относительно черных дыр промежуточной массы остаются открытыми. Действительно ли такие черные дыры чаще встречаются в небольших галактиках специального типа? (Подобная связь могла бы стать основанием для гипотезы, что имеют место другие способы взаимодействия черных дыр и содержащих их галактик даже на стадиях, предшествующих слиянию, в результате которого образовались балджи и сверх массивные черные дыры). Действительно ли в большинстве галактик, в которых нет балджей. нет и черных дыр промежуточного размера, или же черные дыры там все же есть, поим слегка недостает массы, чтобы мы могли их обнаружить? Это действительно так. если их масса составляет примерно 1тыс. солнечных масс. (Такие черные дыры, несомненно, выросли из остатков умерших звезд, а не сформировались путем непосредственного коллапса.) Или же все без исключения галактики, не имеющие балджей. содержат массивные, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс, черные дыры, но большинство из них не имеют возможности питаться и поэтому не проявляют себя ни рентгеновским излучением, ни светом? (Это заставило бы отказаться от вывода, что черные дыры — «середнячки» редки.) в зависимости от того, какие ответы на эти вопросы будут получены, астрофизические теории формирования галактик и зародышей черных дыр могут продвинуться в совершенно разных направлениях.