Сверхмассивные черные дыры — объекты, в сотни миллионов или даже миллиардов раз массивнее обычной звезды, — пожалуй, самые загадочные объекты современной астрофизики. Они скрываются в сердцах большинства крупных галактик, включая и наш Млечный Путь. Учитывая их вездесущность, эти черные дыры могут играть жизненно важную роль в формировании и эволюции Вселенной. Но как они стали настолько массивными — этот вопрос до сих пор беспокоит теоретиков всего мира.

Самое разумное предположение — что эти чудовища смогли вырасти настолько, только лишь поглощая огромные количества газа в течение миллиардов лет — сегодня опровергнуто. Последние наблюдения показали существование черных дыр, которые были в миллиарды раз массивнее Солнца уже через 800 миллионов лет после Большого Взрыва. И снова вопрос: как они растолстели настолько быстро? Большинство астрофизиков сходятся во мнении, что сверхмассивные черные дыры должны были вылупиться из небольших «семян» черных дыр. Просто не совсем понятно, насколько скромным должно быть такое семя. Одна школа мысли считает, что семенные черные дыры должны быть большими — тысячи или десятки тысяч солнечных масс; другая — что семена могут быть небольшими — не больше сотни солнечных масс.

Оба лагеря должны как-то обуздать тот факт, что черные дыры — это прожорливые едоки. Гравитация может стягивать газ ровно до того момента, пока вокруг черной дыры не начнет накапливаться вещество, образуя белый горячий диск, излучающий интенсивную радиацию и отталкивающий приходящий газ, таким образом отрезая поставки продовольствия. Это называется пределом Эддингтона. Считается, что он серьезно снижает скорость, с которой черная дыра может поглощать вещество и расти. Преимущество моделей, использующих небольшие семена, в том, что такие полусредние черные дыры достаточно легко изготовить; недостаток же в том, что для быстрого превращения в сверхмассивные черные дыры они должны миновать предел Эддингтона и, полагаясь на различные возможные исключения, обходить его ограничения. Модели с большим семенем, напротив, соблюдают предел, предоставляя сверхмассивным черным дырам высокий старт, чтобы они могли сожрать как можно больше газа, прежде чем достигнут предела — но более крупные семена сложнее и сделать. Гигантские облака газа, который может коллапсировать с образованием больших семян, может также распадаться на небольшие клочки, образуя скопления звезд, а не большие черные дыры.

Независимо от того, выступаете вы за большие или маленькие семена, «было много теорий, которые пытаются объяснить существование или сборку сверхмассивных черных дыр, но ни одна из них не предложила естественного решения», говорит Наоки Йошида, астрофизик Токийского университета. Йошида является сторонником больших семян, а также соавтором статьи, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science. В ней он рассказал, как сверхмассивные черные дыры сформировали неожиданно большую популяцию оных в юной Вселенной. Его «естественное решение» предполагает высокоскоростные потоки газа, текущие через Вселенную после Большого Взрыва и выступающие важным катализатором. В частности, оно полагается на предполагаемое взаимодействие между гамильтонианом и темной материей — таинственным невидимым веществом, которое, по-видимому, действует как гравитационный клей для галактик.

Выращивая черную дыру

Вместе с коллегами в Техасском университете в Остине и Университете Тюбингена в Германии Йошида использовал компьютерные симуляции для воссоздания условий в ранней Вселенной, задав космологические параметры, вроде плотности темной материи, которые астрономы вычислили, измеряя состав ранней Вселенной.

«Мы попытались воспроизвести это изначальное состояние как можно ближе к реальным наблюдениям», говорит Йошида, «и дали Вселенной время на развитие».

Согласно моделированиям ученых, в некоторых частях Вселенной гравитация темной материи могла захватывать быстро движущиеся потоки первичного водорода и гелия, оставшихся после Большого Взрыва. Чуть позже, как выяснили ученые, эти первые газы разгонялись в некоторых областях до диких скоростей — становились «быстрым ветром», как говорит Йошида. «Вы должны представлять, насколько трудно поймать газ, который очень быстро движется», говорит Йошида. Подставьте руку под пожарный шланг — и вода мгновенно отобьет ее. «Единственный способ остановить этот сильный ветер — применить достаточно сильную гравитацию», говорит он. Ученые подсчитали, что на каждые три миллиарда световых лет в ранней Вселенной было достаточно темной материи, чтобы ее гравитация могла захватить такой ветер — будто направить течение реки вспять. Это притяжение между газом и темной материей создало большое газовое облако и не дало сформироваться небольшим звездам на пути.

Смоделированное газовое облако затем коллапсировало в массивную звезду, которая продолжала поглощать больше газа, пока не достигла 34 000 солнечных масс. Эта необычайно массивная гипотетическая звезда могла достичь такой величины только в том случае, если бы состояла из чистых водорода с гелием — двух элементарных газов, которые кружили в ранней Вселенной до того, как первые звезды стали сверхновыми, из которых впоследствии вышли тяжелые элементы — углерод, азот, кислород. Подобные идеи высказывались и ранее, но рабочую модель представили впервые.

«Наше компьютерное моделирование показало, что такого рода явления действительно случаются, а такие большие звезды действительно могут сформироваться», говорит Йошида. Набрав гигантскую массу, звезда наконец коллапсирует и становится семенем для сверхмассивной черной дыры. Йошида считает решение окончательным и естественным. Но не всякий с ним согласится.

Ответ хороший, но…

Другие ученые, которые вполне одобряют гипотезу с большими семенами, иначе видят изначальное формирование этих семян. Недавно опубликованное исследование в Nature Astronomy, например, предполагает, что такие семена формируются не в процессе странных движений темной материи, а скорее из-за поведения обычных звезд в галактиках. По такому сценарию мощные всплески ультрафиолетового света в процессе бурного образования звезд в юной галактике неподалеку будут мешать формированию звезд в гигантском газовом облаке, так что оно будет оставаться пустым достаточно долго, чтобы в конечном итоге коллапсировать в черную дыру с массой до 100 000 солнечных.

Джон Вайс, астрофизик Технологического института Джорджии и соавтор исследования в Nature Astronomy, считает, что эта новая работа будет важным шагом вперед в этой области, потому что Йошида и его коллеги первыми смоделировали последствия движений первого газа для формирования сверхмассивных черных дыр. Но он говорит, что их теория не отрицает его собственной.

«Я думаю, есть много способов сформировать сверхмассивную черную дыру», говорит он. «Это лишь один из них, вполне возможный». При этом он добавляет, что найти настолько быстро движущиеся газы в ранней Вселенной было бы нелегко. Шансы наткнуться на такие ветры в ранней Вселенной, по мнению Йошиды, составляют порядка 0,3%. Но и гигантские газовые облака, соседствующие с юными фабриками по производству звезд, тоже будут редкостью, считает ученый. «Даже не знаю, какова вероятность такого события», говорит Йошида.

Грег Брайан, астрофизик Колумбийского университета и главный автор работы в Nature Astronomy, высоко оценивает новые результаты. «Это не окончательный ответ, но пока он лучше всего подходит для этого конкретного режима формирования черных дыр», говорит он. Его также беспокоит, насколько близко такое моделирование к формированию небольших звезд. Чтобы сформировалась черная дыра, первые газы должны были собраться в очень небольшой области, чего могло бы и не произойти, если бы они оказались разбитыми небольшими скоплениями звезд. Если немного изменить условия моделирования, массивное семя не образуется. «С другой стороны, мне нравится их модель, я ей верю», добавляет Брайан.

Фульвио Мелиа, астрофизик Аризонского университета, не в восторге от этой теории. «Авторы полагаются на кучу неизвестной физики, как все другие предположения о формировании массивных семян или быстром росте подобных объектов», говорит он. «Им стоило бы сделать конкретные предположения о поведении темной материи, но мы ведь даже не знаем, что она такое».

Зерно сомнения

Чтобы окончательно ответить на вопрос о том, как появляются эти массивные звери, ученые указывают на будущую возможность наблюдения этих «семян» в ранней Вселенной с использованием телескопов следующего поколения. Такая возможность представится в скором времени. Уже выдвинуто несколько инициатив, например, миссия ЕКА ATHENA, которая готовится к запуску в 2028 году и сможет уловить рентгеновские выбросы этих сверхмассивных гигантов. Вот-вот заработает космический телескоп Джеймса Вебба, который займется изучением первых звезд и галактик Вселенной.

«Интересно то, что эти идеи можно будет проверить уже в следующие пару лет, потому что люди займутся поиском этих объектов по всему небу», говорит Мелиа.

Когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы всюду видим галактики — во всех направлениях, на миллионы и даже миллиарды световых лет. Поскольку есть два триллиона галактик, которые мы могли бы наблюдать, сумма всего, что за ними, больше и круче самых смелых наших представлений. Один из самых интересных фактов состоит в том, что все галактики, которые мы когда-либо наблюдали, подчиняются (в среднем) одним и тем же правилам: чем они дальше от нас, тем быстрее они от нас и удаляются. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом и его коллегами еще в 1920-х годах, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что с того, что она расширяется? Наука знает, а теперь и вы узнаете.

Чем дальше мы смотрим, тем дальше назад во времени мы заглядываем, видя еще не развитую Вселенную. Но — только если общая теория относительности применяется к расширяющейся Вселенной

В чем (куда) расширяется Вселенная?

На первый взгляд этот вопрос может показаться здравым. Потому что все, что расширяется, обычно состоит из вещества и существует в пространстве и времени Вселенной. Но сама Вселенная — это пространство и время, содержащее материю и энергию в себе. Когда мы говорим, что «Вселенная расширяется», мы имеем в виду расширение самого пространства, в результате которого отдельные галактики и скопления галактик удаляются друг от друга. Проще всего было бы представить шарик теста с изюмом внутри, который выпекается в печи, считает Этан Зигель.

Модель расширяющейся «булочки» Вселенной, в которой относительные расстояния увеличиваются по мере расширения пространства

Это тесто — ткань пространства, а изюминки — связанные структуры (вроде галактик или скоплений галактик). С точки зрения любой изюминки, все остальные изюмы будут от нее отходить, и чем они дальше — тем быстрее. Только в случае Вселенной печи и воздуха за пределами теста не существует, есть только тесто (пространство) и изюм (вещество).

Красное смещение создают не просто удаляющиеся галактики, а скорее пространство между нами

Откуда мы знаем, что это пространство расширяется, а не галактики удаляются?

Если вы видите, что во всех направлениях от вас удаляются объекты, есть только одна причина, способная это объяснить: расширяется пространство между вами и этими объектами. Также можно было бы предположить, что вы находитесь возле центра взрыва, и многие объекты просто находятся дальше и удаляются быстрее, потому что получили больше энергии взрыва. Если бы это было так, мы могли бы доказать это двумя способами:

• На больших расстояниях и высоких скоростях будет меньше галактик, поскольку со временем они сильно распространились бы в пространстве
• Отношение красного смещения и расстояния будет принимать конкретную форму на больших расстояниях, которая будет отличаться от формы, если бы расширялась ткань пространства

Когда мы смотрим на большие расстояния, мы находим, что дальше во Вселенной плотность галактик выше, чем ближе к нам. Это согласуется с картиной, в которой пространство расширяется, потому что смотреть дальше — то же самое, что смотреть в прошлое, где произошло меньше расширения. Мы также обнаруживаем, что отдаленные галактики имеют отношение красного смещения и расстояния, соответствующее расширению пространства, и совсем нет — если бы галактики просто быстро удалялись от нас. Наука может ответить на этот вопрос двумя разными способами, и оба ответа поддерживают расширение Вселенной.

Всегда ли Вселенная расширялась с одной скоростью?

Мы называем ее постоянной Хаббла, но она является постоянной только в пространстве, а не во времени. Вселенная в настоящий момент расширяется медленнее, чем в прошлом. Когда мы говорим о скорости расширения, мы говорим о скорости на единицу расстояния: около 70 км/c/Мпк сегодня. (Мпк — это мегапарсек, примерно 3 260 000 световых лет). Но скорость расширения зависит от плотностей всех разных вещей во Вселенной, включая материю и излучение. По мере расширения Вселенной материя и излучение в ней становятся менее плотными, а вместе с падением плотности падает и скорость расширения. Вселенная расширялась быстрее в прошлом и замедляется со времен Большого Взрыва. Постоянная Хаббла — это неверное название, ее стоило бы назвать параметром Хаббла.

Далекие судьбы Вселенной предлагают разные возможности, но если темная энергия действительно постоянна, как показывают данные, мы будем следовать красной кривой

Будет ли Вселенная расширяться вечно или когда-нибудь остановится?

Несколько поколений астрофизики и космологи ломали голову над этим вопросом, и ответить на него можно, только определив скорость расширения Вселенной и все типы (и количества) энергии, присутствующие в ней. Мы уже успешно измерили, сколько имеется обычной материи, излучения, нейтрино, темной материи и темной энергии, а также скорость расширения Вселенной. Основываясь на законах физики и произошедшем в прошлом, складывается впечатление, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя вероятность этого не 100%; если нечто вроде темной энергии будет вести себя иначе в будущем по сравнению с прошлым и настоящим, все наши выводы придется пересмотреть.

Галактики движутся быстрее скорости света? Разве это не запрещено?

С нашей точки зрения, расширяется пространство между нами и удаленной точкой. Чем дальше она от нас, тем быстрее, как нам кажется, она удаляется. Даже если скорость расширения была бы крошечной, далекий объект однажды пересек бы порог любой предельной скорости, потому что скорость расширения (скорость на единицу расстояния) многократно умножилась бы при достаточном расстоянии. ОТО одобряет такой сценарий. Закон того, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, применяется только к движению объекта через пространство, а не к самому расширению пространства. В реальности сами галактики движутся на скорости всего в несколько тысяч километров в секунду, что намного ниже предела в 300 000 км/с, установленного скоростью света. Именно расширение Вселенной вызывает рецессию и красное смещение, а не истинное движение галактики.

В пределах наблюдаемой Вселенной (желтый круг) находится приблизительно 2 триллиона галактик. Галактики, которые находятся ближе, чем на треть пути до этой границы, мы никогда уже не сможем догнать из-за расширения Вселенной. Для освоения силами людей открыто всего 3% объема Вселенной

Расширение Вселенной является необходимым следствием того, что материя и энергия наполняют пространство-время, которое подчиняется законам общей теории относительности. Пока есть материя, есть и гравитационное притяжение, так что либо гравитация победит и все снова сожмется, либо гравитация проиграет и победит расширение. Нет никакого центра расширения и нет ничего вне пространства, которое расширяется; именно сама ткань Вселенной расширяется. Что самое интересное, даже если бы мы покинули Землю на скорости света сегодня, мы смогли бы посетить всего 3% галактик в наблюдаемой Вселенной; 97% из них уже вне зоны нашей досягаемости. Вселенная сложна.