В поисках черных дыр средних размеров

В поисках черных дыр средних размеров

В глубинах космоса скрываются «могильные поля» прошлого. Это – черные дыры. Долгое время их принято было делить на два класса.

Одни образовались на месте взорвавшихся звезд. Их масса составляет, по расчетам ученых, от 3 до 100 солнечных масс, а диаметр – от 20 до 600 километров. В каждой крупной галактике подобные объекты исчисляются миллионами. Как правило, за ними невозможно наблюдать с помощью приборов, которыми располагают современные астрономы, – ведь эти черные дыры не поглощают громадные облака газа. Чаще всего они потихоньку добывают себе пропитание у ближайшей звезды, пожирая ее, словно пауки, которые, к слову, как и эти черные дыры, прячась от чужих глаз, поедают добычу, угодившую к ним в сети. Астрономам известно много звездных пар, где один из объектов – черная дыра, которая постепенно губит свою соседку-звезду.

Другие черные дыры – это, наоборот, невероятные исполины. Они, словно громадный костяк, стягивающий воедино рыхлое тело галактики, покоятся в глубине каждой. Их масса – от миллиона до 10 миллиардов солнечных масс. В поперечнике они могут достигать от 5 до 60 000 миллионов километров. Их присутствие можно обнаружить, наблюдая за движением звезд и газовых облаков, расположенных в их окрестностях. Если какая-либо звезда окажется в непосредственной близости от этого гравитационного монстра, то мощные приливные силы буквально разорвут ее на части. Ее остатки, перемещаясь по спирали, рано или поздно низвергнутся в недра черной дыры.

Но что разделяет эти два класса черных дыр? Что располагается между ними в когорте «гравитационных ловушек»?

С точки зрения теоретиков, должны были существовать и черные дыры средних размеров. Их масса составляет от 100 до миллиона солнечных масс, а диаметр – от 6000 до 600 тысяч километров. Само присутствие в галактиках сверхмассивных черных дыр давало надежду на то, что подобные средневесы есть (или хотя бы имелись в прошлом). Ведь не были же эти исполины изначально такими огромными!

Но где искать черные дыры средних размеров? Когда они могли существовать? И сохранились ли они еще и теперь, в современных нам галактиках? Лишь в последние годы удалось доказать, что эти черные дыры – не выдумка ученых, а реальность.

В?современной Вселенной редко встречаются черные дыры средних размеров

Согласно компьютерным моделям, подобные объекты чаще всего зарождались в молодых галактиках, на заре существования нашей Вселенной. Ведь через 1–2 миллиарда лет после Большого взрыва было множество очень массивных звезд, которые жили очень недолго. После их скорого коллапса возникали черные дыры, весившие зачастую в несколько десятков раз больше, чем Солнце. В плотных звездных скоплениях они могли поглощать огромное количество газа. Кроме того, они нередко сталкивались со звездами или другими черными дырами – и потому росли, росли. «Победители получали всё».

По другой гипотезе, важную роль играло появление парных систем, состоявших из двух черных дыр. Ведь во Вселенной существует множество звездных пар. После того, как обе звезды пережили коллапс, возникала система, состоявшая из двух расположенных рядом черных дыр. Рано или поздно они сливались друг с другом. Как полагают астрофизики, во время этих коллизий излучались гравитационные волны. Их пытаются обнаружить сейчас с помощью самых современных детекторов. Возможно, именно эти события вызывают кратковременные вспышки гамма-излучения в отдаленных частях Вселенной, за миллиарды световых лет от Земли.

Итак, черные дыры средних размеров не возникают мгновенно, при коллапсе какой-либо звезды. Они разрастаются постепенно. Точно так же формировались галактики – по иерархическому принципу. Звездные скопления объединялись, образовывали карликовые галактики. При их слиянии возникали спиральные галактики; наконец, формировались громадные эллиптические галактики. Одновременно соединялись и увеличивались в размерах черные дыры, располагавшиеся внутри этих скоплений и галактик. Это объясняет, например, почему масса громадных черных дыр пропорциональна светимости их родных галактик. Если эта теория верна, то не удивительно, что в современной Вселенной так редко встречаются черные дыры средних размеров. Большинство из них давно поглощено их громадными наследницами. Однако в молодых галактиках, по-видимому, продолжается формирование черных дыр-средневесов.

Обнаружить их можно так же, как и другие черные дыры, – по особенностям движения звезд и газопылевых облаков, их окружающих. Динамика звезд – надежный индикатор их присутствия. Впрочем, на больших расстояниях, – а молодые галактики, как правило, находятся очень далеко от Земли, – за ними трудно вести наблюдение. Поэтому астрономы уделяют большое внимание мощным рентгеновским вспышкам, которые выдают присутствие черных дыр. Мощность этих необычайно ярких вспышек составляет порядка 10³² ватт в секунду.

Первые ультрамощные рентгеновские вспышки были зафиксированы в 1980-е годы обсерваторией «Эйнштейн», выведенной на околоземную орбиту в 1978 году. Впоследствии другие рентгеновские обсерватории – ROSAT, RXTE, «Ньютон» и особенно «Чандра» – обнаружили сотни подобных объектов.

В большинстве галактик, как и в нашем Млечном Пути, подобные источники излучения не обнаружены; в других, как правило, отмечено лишь по одному такому источнику. Чаще всего их регистрируют в тех галактиках, где продолжаются процессы бурного звездообразования, или в галактиках, которые испытывают силу притяжения расположенной поблизости огромной галактики.

Согласно опубликованному недавно перечню, включающему 475 кандидатов в ультрамощные рентгеновские источники, 307 из них обнаружены в 142 спиральных галактиках, а 168 – в 98 эллиптических галактиках, хотя последние встречаются вдвое чаще спиральных. Это опять же указывает на связь между ультрамощными источниками и процессами образования звезд, поскольку в эллиптических галактиках звезды зарождаются реже. (Разумеется, не все эти источники являются черными дырами средних размеров. В некоторых случаях речь идет, например, о недавно вспыхнувших сверхновых звездах.)

В карликовых галактиках тоже можно обнаружить черные дыры средних размеров. Это делает «карликов» точными копиями больших галактик и лишний раз свидетельствует о том, что последние, вероятно, образовались за счет их слияния и поглощения. Так, наблюдая за движениями звезд в эллиптической карликовой галактике POX 52, расположенной на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли, Аарон Барт из Калифорнийского технологического института убедился, что там прячется черная дыра, которая весит в 160 тысяч раз больше, чем Солнце. Похожую черную дыру – только немного поменьше (70 тысяч солнечных масс) – телескоп «Хаббл» обнаружил и в проявляющей активность карликовой галактике SDSS J160531.84 + 174826.1.

В последнее время много говорится о том, что подобная черная дыра есть и в нашей Галактике. В 2004 году Брэд Хансен из Калифорнийского университета и Милош Милосавлевич из Калифорнийского технологического института предположили, что среди звездного скопления GCIRS 13E, расположенного на расстоянии трех световых лет от галактического центра, скрывается небольшая черная дыра (1300 солнечных масс). Как полагают астрономы, уже в этом десятилетии, анализируя движение звезд в центральной части Галактики, можно будет доказать или опровергнуть эту гипотезу. Вполне может быть, что черные дыры средних размеров никуда не исчезли из нашей Галактики, а продолжают пополнять «закрома» той громадной черной дыры, что притаилась посредине Млечного Пути.