Черные дыры промежуточной массы остаются одними из самых «долгожданных» объектов современной астрофизики. Вокруг их поиска разворачиваются почти такие же страсти, как и вокруг гравитационных волн. До сих пор известен лишь один источник, более или менее подходящий на роль такого объекта, хотя все расчеты, да и сама логика рассуждений ученых указывает, что Вселенная должна быть полна таких средних черных дыр.
Лишь недавно астрономы из Франции совместно с работающим в ГАИШ им. Штернберга МГУ кандидатом физико—математических наук Иваном Золотухиным обнаружили сразу десятки подходящих на эту роль кандидатов. Статья, опубликованная авторами в The Astrophysical Journal, лишь накаляет страсти — а мы поговорили с Иваном Золотухиным о проблеме «средних» черных дыр и перспективах ее решения.
«N+1»:
Иван Золотухин: Проблема эта существует, поскольку до сих пор окончательно неясно, как именно сформировались сверхмассивные черные дыры в центрах самых древних галактик. Вообще, известны черные дыры звездной массы — они образуются в результате гибели очень крупных звезд и имеют массу от нескольких масс Солнца до нескольких десятков. Другие черные дыры — сверхмассивные, масса их может составлять от миллионов и до десятков миллиардов солнечных масс.
Считается, что такие гигантские черные дыры формируются за счет коллапса вещества в центрах больших галактик и затем растут, поглощая окружающее вещество, звезды и другие черные дыры. При этом мы знаем, что практически у каждой крупной галактики в центре есть такая гигантская черная дыра: хотя их самих и не видно, но падающее в такую дыру вещество очень активно излучает, создавая видимые и мощные источники — квазары.
Проблема в том, что можно увидеть квазары, находящиеся очень и очень далеко, говоря языком астрономии, на высоких красных смещениях. По сути, это означает, что сверхмассивные черные дыры существовали уже в ранней Вселенной. Самый далеких из известных квазаров относится ко времени около 750 миллионов лет после Большого взрыва. Масса этой черной дыры оценивается примерно в миллиард масс Солнца — и как она за такое короткое время успела так вырасти, уже непонятно.
Ведь, как мы говорили, окружающее вещество, аккрецирующее — падающее — в черную дыру интенсивно излучает. Это излучение, грубо говоря, отталкивает приближающееся вещество. Поэтому существует определенный верхний предел, который определяет максимальную скорость, с которой черная дыра вообще способна поглощать материю. Эта величина подсчитана и определяется пределом Эддингтона.
Теперь, если мы возьмем этот предел, то легко показать, что за 750 миллионов лет миллиард солнечных масс сверхмассивная черная дыра набрать никак не может. По крайней мере, просто поглощением обычной материи, сколько бы ни было ее вокруг. Можно показать, что на то, чтобы набрать одну солнечную массу, сверхмассивной черной дыре требуется около тысячи лет. Отсюда и возникает вопрос о том, как же такие древние дыры образовались.
Поэтому было выдвинуто предположение о том, что этот процесс в ранней Вселенной мог «распараллеливаться». Иначе говоря, небольшие черные дыры росли одновременно, набирая некоторую среднюю, промежуточную массу, а затем уже сливались друг с другом, образуя первое поколение сверхмассивных черных дыр.
«N+1»:
И.З.: Разумеется, из первых поколений звезд. В отличие от Солнца и других сравнительно молодых звезд, состоящих из вещества, которое уже частично «перегорело» в звездах предыдущих поколений, первые звезды, которые зажглись во Вселенной, не содержали металлов — элементов тяжелее водорода и гелия. Это позволяло им набирать особенно большие размеры.
Сегодня верхний предел массы звезд составляет порядка десятков масс Солнца, в лучшем случае — чуть больше сотни. А тогда они, по теоретическим данным, могли иметь и тысячи солнечных масс. Соответственно, жили такие огромные звезды недолго и, погибая, сразу создавали довольно крупные черные дыры, в сотни масс Солнца. Этот факт тоже указывает на то, что черные дыры средней массы могли быть очень распространены в ранней Вселенной и служить зародышами дыр уже сверхмассивных.
Теряя орбитальную энергию, они сближались, создавая черные дыры все более крупные. При этом Общая Теория Относительности предсказывает, что если сливаются две черные дыры, то получившийся из них в результате «продукт» получает дополнительный импульс, иногда очень мощный. И если эти дыры имели более или менее равную массу, то новая дыра может даже выбрасываться за пределы исходного скопления.
Лишь затем — постепенно, за миллионы лет — они возвращались «на место», снова сливаясь с черной дырой, которая опять появлялась в центре скопления. Так раз за разом, за тысячи и десятки тысяч слияний, дыры росли. И в результате получились сверхмассивные, которые «сдвинуть с места» уже практически невозможно.
В принципе, эта картина подтверждается и наблюдениями — известны некоторые двойные сверхмассивные черные дыры, которые находятся если не в процессе слияния, то на пути к нему. Или, например, в соседней Туманности Андромеды сверхмассивная черная дыра слегка смещена относительно того места, где она должна была бы «сидеть». Судя по всему, не так давно ее что-то сместило — скорее всего, именно акт такого слияния с черной дырой поменьше.