Монстры или творцы: были ли черные дыры архитекторами галактик?

Телескоп «Джеймс Уэбб», вглядываясь в прошлое Вселенной, видит неожиданно зрелые галактики с множеством звезд. Как они успели сформироваться за считанные сотни миллионов лет после Большого взрыва? Авторы нового исследования, опубликованного в авторитетном издании Astrophysical Journal Letters, полагают, что нашли ответ на этот вопрос.

Архитекторами галактик и крупносерийными производителями звезд исследователи назначили… сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Правда, тут же встает вопрос, как успели образоваться сами черные дыры. Возможно, что для ответа на него придется что-то «подкрутить» в самых фундаментальных положениях космологии — науки о происхождении и эволюции Вселенной.

Перед рассветом

Считается, что сразу после Большого взрыва масса была распределена по пространству почти равномерно. Во всяком случае гораздо равномернее, чем сейчас, когда сравнительно плотные галактики разделены громадными пустынными безднами. Но ключевое слово здесь «почти». Именно с первичных, затравочных неоднородностей и началось формирование галактик. Там, где плотность случайно оказалась чуть выше, больше была и гравитация. Эти центры притяжения стягивали к себе вещество, от этого тяготение становилось еще сильнее и так далее. Это важный случай положительной обратной связи — это понятие нам еще понадобится!

Так возникали громадные протогалактические облака из темной материи и первичного газа (водорода с примесью гелия). В каждой точке облака складывались силы притяжения всех окрестных масс вещества. Сильнее всего это суммарное тяготение оказывалось в центре протогалактики. Именно туда и дрейфовали громадные массы газа. Это движение было похоже на стремление потоков воды в нижнюю точку сосуда. Только вместо земного притяжения здесь работало совокупное тяготение всей протогалактики.

В недрах этих колоссальных облаков гравитация тоже стягивала вещество в комки, усиливая мелкие случайные неоднородности. Так из первичного газа формировались звезды.

В этот стандартный сценарий исследователи внесли небольшое, но очень важное дополнение. Они предположили, что в центрах протогалактик очень рано сформировались сверхмассивные черные дыры. Возможно, говорят авторы, это случилось спустя считанные десятки миллионов лет после Большого взрыва, еще до появления первых звезд. Сверхмассивные черные дыры гнездятся практически во всех крупных галактиках, но обычно их не считают настолько древними.

Горячие сердца

Поведение СМЧД хорошо знакомо астрономам. Любая материя, оказавшаяся слишком близко к черной дыре, захватывается ее гравитацией и выходит на орбиту вокруг «хищницы». Так черная дыра обзаводится дискообразным облаком вращающейся вокруг нее материи — аккреционным диском. Каждый слой диска вращается с собственной скоростью: чем ближе к черной дыре, тем быстрее. У самого горизонта событий — «поверхности невозврата» черной дыры, из-под которой уже нет пути назад, — эта скорость сравнима со световой.

Поскольку соседние слои имеют разную скорость, в месте их соприкосновения возникает трение. А поскольку эта скорость очень велика, то и трение чудовищное. Оно разогревает вещество до сотен миллионов градусов. Это в десятки раз горячее, чем в центре Солнца. При такой жаре не могут существовать даже атомы: они распадаются на ядра и электроны, и вещество превращается в плазму. Каждый килограмм, попавший в эту дьявольскую печь, высвечивает огромную энергию. Она составляет порядка 10 процентов от mc², теоретического предела того, что вообще можно выжать из материи. Это в десятки раз более эффективный «генератор», чем термоядерные реакции в недрах звезд.

Кроме того, трущиеся потоки газа теряют момент вращения. Замкнутые орбиты превращаются в спираль. Нижняя часть диска понемногу погружается в черную дыру. Однако большая часть раскаленного дискообразного облака находится выше горизонта событий, поэтому испускает в окружающий космос потоки излучения. Как ни парадоксально, из аккреционного диска выбрасывается наружу даже часть вещества. Дело в том, что в облаке плазмы возникают громадные электромагнитные поля, превращая диск в грандиозный ускоритель частиц. Они выбрасывают струи частиц на околосветовой скорости, и даже гравитация центральной черной дыры не может удержать их.

Это классическая картина работы квазаров — самых мощных источников излучения во Вселенной. В меньших масштабах те же самые процессы происходят в ядрах многих галактик. Даже черная дыра в центре Млечного Пути, весящая «всего» четыре миллиона солнц, имеет собственный аккреционный диск. К нашему счастью, он невелик и излучает сравнительно слабо. Будь ядро Галактики более активным, жизнь на Земле была бы невозможна из-за мощных потоков излучения.

Как же столь распространенное и изученное явление могло перевернуть взгляды на формирование галактик?

Переменная облачность

Ответ прост. По мысли авторов, вся эта иллюминация началась в очень молодых протогалактиках. Сегодня в типичной галактике масса звезд сравнима с массой межзвездного газа, а тогда звезд совсем не было или было очень мало. Почти все вещество, которое потом станет звездами, существовало в виде газа. Следовательно, вокруг черной дыры было гораздо больше газа, чем в современной зрелой галактике и даже чем в самых древних известных квазарах.

Такое соседство не могло пройти для газовых облаков даром. Мощные потоки излучения и заряженных частиц, испускаемые аккреционным диском, врезались в окружающий газ. Они разрывали и кромсали облака, заставляя вещество в буквальном смысле бурлить (говоря научным языком, создавая турбулентные потоки).

Какова была дальнейшая судьба этого взбаламученного газа? Вот здесь-то и начинается самое интересное. Пока его было много, из него рождались звезды. Причем рождались они ураганными и все ускоряющимися темпами.

Фабрика звезд

Звезды образуются там, где есть неоднородности, уплотнения. Именно они служат затравкой, к которой гравитация стягивает вещество. В рвущихся на части, исковерканных газовых облаках уплотнения (как и разрежения) возникали, что называется, в товарных количествах.

Не весь газ из разорванных газовых облаков превращался в звезды. Часть падала на аккреционный диск и подпитывала его. От этого черная дыра становилась еще активнее, и окружающие облака разрушались еще быстрее — круг замыкался.

Такой замкнутый круг, когда процесс ускоряет сам себя, называется положительной обратной связью. Всякий, кто лепил снеговика, знает: комок снега, умещающийся в ладонь, уже через несколько шагов вырастает чуть ли не по пояс. Ведь чем больше его поверхность, тем больше снега на него налипнет за один оборот, а от этого поверхность еще увеличится. Другой пример — распространение новой инфекции. Чем больше людей заболели, тем больше заразятся от контакта с ними, а они, в свою очередь, заразят еще больше людей. Весной 2020 года жители России могли наблюдать, как десятки подтвержденных случаев COVID-19 за считанные недели превратились в тысячи.

В общем, если чего-то — снега, случаев болезни или звезд в галактике — очень быстро становится очень много, самое время заподозрить положительную обратную связь. Что и сделали астрономы.

Но обыкновенная логика подсказывает, что положительная обратная связь рано или поздно оборвется. В мире ограниченных ресурсов ничто не может расти до бесконечности. Снежный ком увеличится так, что его будет уже не сдвинуть. Большая часть населения получит иммунитет, и распространение вируса замедлится. Запасы первичного газа истощатся, и свежие звезды будет не из чего лепить.

Унесенные ветром

На самом деле ситуация еще интереснее. По мере того как облака газа истощались, турбулентные потоки меняли свое поведение. Эти струи больше не распадались на протозвездные сгустки. Теперь они просто утекали из центра галактики на периферию, а возможно и за ее пределы.

Естественно задать вопрос: почему поведение газовых потоков так изменилось? Здесь замешана довольно тонкая физика, но попытаемся описать ее в двух словах. На «фабрике звезд» газ должен не только бурлить локальными уплотнениями, но и эффективно охлаждаться. Во-первых, из слишком горячего вещества не вылепишь звезду: нарастающее давление остановит сжатие протозвездного облака. Во-вторых, полученную от черной дыры энергию нужно куда-то деть, чтобы газ остался на месте, а не улетел прочь.

Когда газ в протогалактике стал слишком разреженным, прежние механизмы охлаждения перестали работать. «Фабрика звезд» закрылась, и начался «отток капитала». По расчетам авторов, этот драматический переход произошел, когда Вселенной исполнился примерно миллиард лет.

Семена будущего

Итак, галактики рано созрели, поскольку черные дыры в их центре созрели еще раньше. Но как это удалось черным дырам? Не перекладываем ли мы проблему на другой край стола вместо ее решения?

Астрономы все еще не знают, как образовались сверхмассивные черные дыры. Одна из теорий гласит, что это множество слипшихся черных дыр звездной массы. Последние, в свою очередь, образуются из отгоревших звезд. Понятно, что нам такой сценарий совсем не подходит. Ведь у авторов черные дыры уже сверхмассивные, когда в галактике еще очень мало звезд.

Другая версия взращивает сверхмассивные черные дыры из «тяжелых семян». Так поэтически астрономы называют черные дыры массой до 100 тысяч солнц, образовавшиеся из плотных газовых облаков. Стягивая на себя окружающий газ, подобное «семечко» может разрастись до миллионов и миллиардов солнечных масс. Эта теория худо-бедно справляется со сверхмассивными черными дырами, возникшими через 500 миллионов лет после Большого взрыва (квазары такого возраста известны наблюдателям). Но о первых 100 миллионах лет существования Вселенной не может быть и речи.

В чем же секрет раннего созревания СМЧД? Авторы предлагают несколько решений. Одно из них — увеличить количество первичных черных дыр во Вселенной.

В начале были дыры

Первичные черные дыры — это буквально первые астрономические объекты во Вселенной. Они образовались в первую секунду после Большого взрыва. Еще не было даже атомов, не говоря о галактиках и звездах.

Откуда они взялись? Мы уже говорили о первичных неоднородностях, гравитация которых дала начало галактикам. Некоторые из этих неоднородностей случайно оказались настолько плотными, что сразу же, без дополнительных порций материи, превратились в черные дыры. Эти черные дыры и называются первичными.

К огромному сожалению для наблюдателей, черным дырам не выдают свидетельств о рождении. По черной дыре почти невозможно сказать, существует она с первой секунды существования Вселенной или родилась много позже. Поэтому пока и не известно ни одной черной дыры, которую можно было бы уверенно распознать как первичную. С другой стороны, теоретики уверены, что первичные черные дыры реальны. Их существование неумолимо вытекает из любой разумной космологической теории.

Согласно выкладкам космологов, первичные черные дыры имели очень разнообразную массу: от сущих пылинок до сверхмассивных гигантов. Понятно, что массивные объекты встречались реже легких. Этот закон работает всегда, когда гравитация лепит из материи комки. Его легко проследить даже в Солнечной системе: планет мало, крупных астероидов гораздо больше, мелких — еще больше, а всякая мелочь вроде метеороидов вообще не поддается подсчету. Запомнить этот принцип помогает лаконичная формула: тараканов больше, чем слонов.

Но насколько именно больше? Сколько черных дыр — «тараканов» приходилось на одного «слона»? И сколько «слонов» образовалось в видимой Вселенной?

На этот вопрос нет точного ответа. Теория допускает разные варианты, не противоречащие наблюдениям. В простейших моделях образуется очень мало сколько-нибудь массивных черных дыр. Но не исключено, что на самом деле их не меньше, чем галактик. И тогда можно допустить, что именно первичные черные дыры стали «тяжелыми семенами», а то и готовыми СМЧД в ядрах галактик.

Впрочем, это не единственный вариант. Авторы упоминают возможность «подкрутить» распределение изначальных неоднородностей. Тогда черные дыры в центрах галактик успеют вырасти без всяких первичных «семян». Есть и другие сценарии — правда, еще более экзотические.

Проверка реальностью

С массовым открытием молодых, но неожиданно зрелых галактик космологические теории пошатнулись. Новая модель может стать для них спасением. А может оказаться лишь остроумной, но не подтвердившейся гипотезой. Таковых за недолгую историю космологии были десятки, если не сотни.

Исследователи честно называют свою модель упрощенной и предварительной. Нелишне будет разработать ее детальнее. Еще лучше — попробовать на прочность в вычислительном эксперименте на суперкомпьютере. Но окончательным судьей астрономической теории могут быть только наблюдения.

Проверить эту модель будет непросто. Первые сотни миллионов лет после Большого взрыва — почти непосильная задача для действующих телескопов. Сегодняшний рекорд — 320 миллионов лет. Да, в последние годы подобные рекорды быстро обновляются. Но одно дело — различить маленькое красное пятнышко на пределе чувствительности. И совсем другое — сказать о нем что-нибудь содержательное.

Кроме того, в протогалактическом облаке почти невозможно заметить черную дыру, какой бы активной та ни была. Газ закрывает аккреционный диск столь плотной завесой, что поток лучей практически не пробивается наружу. Возможно, говорят исследователи, рентгеновские телескопы следующего поколения смогут заметить слабое излучение.

Пока же придется наблюдать более доступные галактики. Судить об их прошлом можно по косвенным признакам, например химическому составу газа. Это тоже открывает некоторые возможности для проверки «чернодырной» модели.

Несомненно одно: мы все еще мало знаем о происхождении как самих галактик, так и их центральных черных дыр. Но великий математик Давид Гильберт однажды провозгласил: «Мы должны знать — мы будем знать». Этот афоризм можно считать девизом космологов, по крупицам выцарапывающих у Вселенной тайны ее прошлого.