Сверхмассивная черная дыра: формирование, обнаружение, свойства

Черные дыры - это области в ткани пространства и времени, которые обладают такой массой, что из их гравитационного поля не может вырваться ни один объект, даже свет. Хотя у теоретиков уже сложилось общее представление о черных дырах, на самом деле их существование не совсем доказано. Оно следует из классической теории гравитации, а это значит, что если теория окажется неверной, то черные дыры могут иметь другую природу.

Гигантомания

Даже самая большая черная дыра, по представлению современных ученых, может появиться по одному из четырех сценариев. Два из них - так называемые реалистичные - связаны с коллапсом. "Отжившая" свое звезда коллапсирует, или сжимается, в результате чего появляется нейтронная звезда. При массе в полтора наших Солнца, она имеет очень маленький диаметр - около двадцати километров, однако плотность вещества очень большая. Если же звезда обладала очень большой массой, то вместо нейтронной звезды появляется черная дыра.

Вторая из реалистичных версий предполагает, что появление рассматриваемого нами объекта может быть связано с коллапсом протогалактического газа или всей центральной части галактики.

Оставшиеся две - гипотетические - версии гласят, что, возможно, некоторые черные дыры во Вселенной существуют с момента Большого взрыва, их называют первичными. По второму предположению, они также могут быть образованы вследствие ядерных реакций высоких энергий.

Самая большая черная дыра

В прошлом десятилетии эти невидимые космические объекты наделали шуму в среде астрофизиков. Существование огромных черных дыр было удивительно, однако оказалось, что искать их не так уж и сложно, когда есть какой-либо план.

В сердце каждой галактики располагается невидимый объект огромных размеров, искажающий орбиты звезд. Этим объектом оказалась сверхмассивная черная дыра. Это объясняется тем, что в центральных частях галактик скопление звезд наибольшее, результат их слияния и приводит к гигантским массам черных дыр, и выходит, что сверхмассивная черная дыра в центре галактики - это не странность, а закономерность.

Конечно, сразу возник вопрос о том, насколько большими они могут быть. Современные ученые классифицируют их по возрастанию массы. Черные дыры звездной массы сопоставимы с массой от 10 до нескольких десятков масс Солнца. Размеры сверхмассивных черных дыр огромны - начиная с миллиона и заканчивая несколькими сотнями миллионов масс нашей звезды. Остальные объекты относятся к категории средних, и ученые считают, что их гораздо меньше, чем остальных, но объяснить причину такой разницы в количестве пока не могут.

Гигант нашей галактики

Сверхмассивная черная дыра имеется и в Млечном Пути. Ее масса равна четырем миллионам масс Солнца, что составляет 0,1 % всей галактики! Однако наша галактика, по космическим меркам, довольно маленькая. Например, в относительном соседстве с нами, в созвездии Девы, располагается Messier 87, имеющая размер в двести раз больший. Астрофизик Этан Сигел, автор статьи "Крупнейшая черная дыра в известной Вселенной", утверждает, что в этой галактике существует невероятная аномалия: из центра ее исходит поток материи, имеющий длину около пяти тысяч световых лет (протяженность всего Млечного Пути, к примеру, составляет чуть более ста тысяч световых лет). По мнению ученых, причиной подобной аномалии может быть только сверхмассивная черная дыра.

Все дальше и дальше

Обычно сверхмассивная черная дыра составляет 0,01 % массы галактики, значит, можно предположить, что поиск "невидимки" самых крупных размеров нужно начать с поиска самой большой галактики. Таковой в обозримой Вселенной является IC 1101, протяженность которой - два миллиона световых лет, что почти в два раза превышает расстояние до соседней с нами галактики - Андромеды. По массе она может сравняться со всем созвездием Девы. Ученые предположили, что там и находится самая "тяжелая" черная дыра, однако у IC 1101 есть конкурент.

Ученые из Йельского университета, ищущие в нашем звездном небе сверхмассивные черные дыры, в самой далекой галактике нашли аномалию. Галактика CID-947 находится так далеко от нас, что астрофизики рассматривают ее в сильной ретроспективе. По привычным для нас меркам, она сейчас находится в возрасте 1,5-2 миллиардов лет после Большого взрыва (по мнению ученых, он произошел 14 миллиардов лет назад). Черная дыра в этой галактике аномально тяжелая и составляет 17 % от массы всей галактики, превышая Солнечную в 7 миллиардов раз, хотя сама CID-947 не больше по размерам, чем наш Млечный Путь. Смело можно сказать, что на данный момент это самая большая черная дыра, известная науке.

Рождение сверхмассивной

Астрофизики еще не пришли к единому мнению по вопросу об образовании черных дыр. Возможно, дело не ограничивается четырьмя теориями, а может, они и вовсе неверны. Тем не менее касательно CID-947 ученые не высказывают предположений. Считается, что сверхмассивные черные дыры могут образовываться в результате "вырастания" их из черных дыр звездных масс, это занимает миллиарды лет. Однако CID-947 мы видим совсем молодой, а черная дыра в ее центре невероятно огромна. Интересно бы посмотреть, как она выглядит сейчас, спустя 12 миллиардов лет, однако этого мы узнать не в силах.

Возможным объяснением подобной аномалии является то, что черная дыра была первичной, то есть образовалась уже во время Большого взрыва, или же сама галактика обладала очень большой концентрацией звезд и протогалактического газа в своем центре.

Обнаружение черной дыры

Проблем в исследовании и наблюдении за черными дырами довольно много, однако главная трудность состоит в их обнаружении. Свет не может преодолеть их гравитацию, а это значит, что объект с такой колоссальной массой остается невидим! Так что даже если бы самый мощный телескоп современности - "Хаббл" - "увидел" сверхмассивную черную дыру, понять, что она действительно там есть, сможет только астрофизик.

Как правило, черные дыры обнаруживают себя через искажение орбит звезд, расположенных вокруг. Также они имеют рентгеновское и гамма-излучение (это происходит из-за потоков водорода, самого распространенного вещества в нашей Вселенной), которые, прежде чем исчезнуть в черных дырах, нагреваются до температуры в несколько миллионов градусов.

Еще один способ - узнать массу, а затем объем объекта и сравнить его с гравитационным радиусом. Этот метод считается единственным достоверным. Узнать, является ли объект черной дырой, помогает ученым и соотношение его массы и светимости, скорость волновых источников и скорость вращения газа.

Факты и подробности

Что будет, если попасть в черную дыру? Этот вопрос - один из самых интересных. Ученые предполагают, что по мере приближения к ней тело человека начнет растягиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока он не превратится в поток частиц и не пересечет горизонт событий. Однако такой эффект будет наблюдаться, если черная дыра имеет звездную массу. Для сверхмассивных сценарий несколько другой, ввиду того что из-за их размера сингулярность находится достаточно далеко от горизонта.

Таким образом, путешественник сможет пересечь горизонт событий - край черной дыры, и довольно глубоко погрузиться в нее, прежде чем почувствует разрушительные эффекты. Скорость его движения будет постоянно ускоряться, пока не достигнет скорости света, а время - замедляться. Но и это еще не все!

В одну сторону

На определенном этапе он сможет одновременно увидеть все объекты, которые за время своей жизни поглотила черная дыра, а если обернется назад, то будет наблюдать те, что гиганту еще только предстоит поглотить. Пространство черной дыры будет все больше препятствовать обзору, а потом и вовсе сомкнется, и путешественник будет видеть космос сквозь небольшое "отверстие", как сквозь трубку. Из-за искажения восприятия времени, это путешествие займет миллионы лет и станет поистине удивительным.

Но как астрофизики могут рассуждать об объектах, реальное существование которых даже доказано не до конца? Всему причиной математические расчеты. Беря в основу какие-то данные, ученые могут производить вычисления и на их основе делать выводы даже о внутренней структуре объектов. Поэтому только путем умозрительного эксперимента они могут ответить на многие вопросы, даже сказать, что будет, если попасть в черную дыру.

Если заменить Солнце черной дырой

Еще один интересный мысленный эксперимент состоит в том, чтобы заменить единственную звезду нашей системы эквивалентной по массе черной дырой. Кстати, горизонт событий такого гиганта будет размером с... воздушный шар. Однако наличие под боком "вселенского поглотителя" на самом деле практически никак не отразится на планетах нашей системы: поглощенным может быть только объект, проходящий в относительной близости от черной дыры. Планеты же движутся по своей орбите, которая исключает возможность сближения: астрофизиками обнаружено достаточно много звезд и планет, которые спокойно вращаются вокруг черных дыр.

Но не все так просто. Первое, что исчезнет - это солнечный свет, дающий жизнь всему на Земле, и это самая главная проблема. Конечно, если бы человечество освоило технологии термоядерного синтеза и генной инженерии, мы наверняка смогли бы продолжить жизнь в кромешной темноте на постепенно остывающей планете, но на данном этапе развития люди погибли бы через пару десятков лет.

Главное заблуждение

Существует мнение, что черные дыры во Вселенной только поглощают энергию. На самом деле это не так. Подобно растениям, которые как поглощают углекислый газ во время процесса фотосинтеза, так и выделяют его во время других процессов, черная дыра и поглощает вещество, и выделяет его.

Это явление может объясняться только с позиций квантовой физики. Черная дыра образует поток элементарных частиц, преимущественно фотонов, это и называется квантовым излучением черной дыры, или излучением Хокинга (названо в честь того самого Стивена Хокинга). В квантовой механике есть так называемый механизм туннелирования, он-то и помогает частицам преодолевать барьеры, непреодолимые для неквантового вещества.