Монстри чи творці: чи були чорні дірки архітекторами галактик

Астрофізики не втомлюються сперечатися, коли і як з’явилися надмасивні чорні дірки. Безперечним вважається одне: вони з’явилися в галактиках і завдяки галактикам. Але якщо самі галактики — продукт діяльності чорних дір? Саме так і могли виникнути «неможливі» галактики, що ведуть вчених у глухий кут.

Телескоп Джеймс Вебб, вдивляючись у минуле Всесвіту, бачить несподівано зрілі галактики з безліччю зірок. Як вони встигли сформуватися за сотні мільйонів років після Великого вибуху? Автори нового дослідження, опублікованого в авторитетному виданні Astrophysical Journal Letters, вважають, що знайшли відповідь на це запитання.

Архітекторами галактик та великосерійними виробниками зірок дослідники призначили… надмасивні чорні дірки (СМЧД). Щоправда, відразу постає питання, як встигли утворитися самі чорні дірки. Можливо, що для відповіді на нього доведеться щось «підкрутити» у фундаментальних положеннях космології — науки про походження та еволюцію Всесвіту.

Перед світанком

Вважається, що відразу після Великого вибуху маса була розподілена простором майже рівномірно. Принаймні набагато рівномірніше, ніж зараз, коли порівняно щільні галактики розділені величезними безлюдними безоднями. Але ключове слово тут «майже». Саме з первинних, затравних неоднорідностей і почалося формування галактик. Там, де щільність випадково виявилася трохи вищою, більшою була і гравітація. Ці центри тяжіння стягували до себе речовину, від цього тяжіння ставало ще сильнішим і так далі. Це важливий випадок позитивного зворотного зв’язку – це поняття нам ще знадобиться!

Так виникали величезні протогалактичні хмари з темної матерії та первинного газу (водню з домішкою гелію). У кожній точці хмари складалися сили тяжіння всіх навколишніх мас речовини. Найсильніше це сумарне тяжіння опинялося у центрі протогалактики. Саме туди і дрейфували величезні маси газу. Цей рух був схожий на прагнення потоків води до нижньої точки судини. Тільки замість земного тяжіння тут працювало сукупне тяжіння всієї протогалактики.

У надрах цих колосальних хмар гравітація теж стягувала речовину в грудки, посилюючи дрібні випадкові неоднорідності. Так із первинного газу формувалися зірки.

До цього стандартного сценарію дослідники внесли невелике, але дуже важливе доповнення. Вони припустили, що в центрах протогалактик дуже рано сформувалися надмасивні чорні дірки. Можливо, кажуть автори, це сталося через лічені десятки мільйонів років після Великого вибуху, ще до появи перших зірок. Надмасивні чорні дірки гніздяться практично у всіх великих галактиках, але зазвичай їх не вважають настільки давніми.

Гарячі серця

Поведінка СМЧД добре знайома астрономам. Будь-яка матерія, що опинилася надто близько до чорної дірки, захоплюється її гравітацією і виходить на орбіту навколо «хижачки». Так чорна діра обзаводиться дископодібною хмарою матерії, що обертається навколо неї — акреційним диском. Кожен шар диска обертається зі своєю швидкістю: що ближче до чорної дірці, то швидше. Біля самого горизонту подій — «поверхні неповернення» чорної дірки, з-під якої вже немає шляху назад, — ця швидкість можна порівняти зі світловою.

Оскільки сусідні шари мають різну швидкість, у місці їхнього дотику виникає тертя. А оскільки ця швидкість дуже велика, то й тертя жахливе. Воно розігріває речовину до сотень мільйонів градусів. Це у десятки разів гарячіше, ніж у центрі Сонця. При такій спеці не можуть існувати навіть атоми: вони розпадаються на ядра та електрони, і речовина перетворюється на плазму. Кожен кілограм, що потрапив у цю диявольську піч, висвічує величезну енергію. Вона становить близько 10 відсотків від mc ² теоретичної межі того, що взагалі можна вичавити з матерії. Це в десятки разів ефективніший «генератор», ніж термоядерні реакції у надрах зірок.

Крім того, потоки газу, що труться, втрачають момент обертання. Замкнуті орбіти перетворюються на спіраль. Нижня частина диска потроху занурюється у чорну дірку. Однак більша частина розпеченої дископодібної хмари знаходиться вище за горизонт подій, тому випускає в навколишній космос потоки випромінювання. Як не парадоксально, з акреційного диска викидається назовні навіть частина речовини. Справа в тому, що у хмарі плазми виникають величезні електромагнітні поля, перетворюючи диск на грандіозний прискорювач частинок. Вони викидають струмені частинок на навколосвітній швидкості, і навіть гравітація центральної чорної дірки не може їх утримати.

Це класична картина роботи квазарів — найпотужніших джерел випромінювання у Всесвіті. У менших масштабах ті самі процеси відбуваються в ядрах багатьох галактик. Навіть чорна дірка у центрі Чумацького Шляху, що важить «всього» чотири мільйони сонців, має власний акреційний диск. На нашу щастя, він невеликий і випромінює порівняно слабко. Якби ядро ​​Галактики є більш активним, життя на Землі було б неможливим через потужні потоки випромінювання.

Мінлива хмарність

Відповідь проста. На думку авторів, вся ця ілюмінація розпочалася у дуже молодих протогалактиках. Сьогодні в типовій галактиці маса зірок можна порівняти з масою міжзоряного газу, а тоді зірок зовсім не було або було дуже мало. Майже вся речовина, яка потім стане зірками, існувала у вигляді газу. Отже, навколо чорної діри було набагато більше газу, ніж у сучасній зрілій галактиці і навіть ніж у найдавніших відомих квазарах.

Таке сусідство не могло пройти для газових хмар задарма. Потужні потоки випромінювання та заряджених частинок, що випускаються акреційним диском, врізалися у навколишній газ. Вони розривали і різали хмари, змушуючи речовину в буквальному сенсі вирувати (говорячи науковою мовою, створюючи турбулентні потоки).

Якою була подальша доля цього збаламученого газу? Ось тут і починається найцікавіше. Поки його було багато, із нього народжувалися зірки. Причому народжувалися вони ураганними і темпами, що все прискорювалися.

Фабрика зірок

Зірки утворюються там, де є неоднорідності, ущільнення. Саме вони є затравкою, до якої гравітація стягує речовину. У рвуться на частини, понівечених газових хмарах ущільнення (як і розрідження) виникали, що називається, у товарних кількостях.

Не весь газ із розірваних газових хмар перетворювався на зірки. Частина падала на акреційний диск і підживлювала його. Від цього чорна діра ставала ще активнішою, і навколишні хмари руйнувалися ще швидше — коло замикалося.

Таке замкнене коло, коли процес прискорює сам себе, називається позитивним зворотним зв’язком. Кожен, хто ліпив сніговика, знає: грудка снігу, що вміщується в долоню, вже за кілька кроків виростає мало не до пояса. Адже чим більше його поверхня, тим більше снігу на нього налипне за один оберт, а від цього поверхня ще збільшиться. Інший приклад – поширення нової інфекції. Чим більше людей захворіло, тим більше заразиться від контакту з ними, а вони, у свою чергу, заразлять ще більше людей. Навесні 2020 року росіяни могли спостерігати, як десятки підтверджених випадків COVID-19 за лічені тижні перетворилися на тисячі.

Загалом, якщо чогось – снігу, випадків хвороби чи зірок у галактиці – дуже швидко стає дуже багато, саме час запідозрити позитивний зворотний зв’язок. Що й зробили астрономи.

Але звичайна логіка нагадує, що позитивний зворотний зв’язок рано чи пізно обірветься. У світі обмежених ресурсів ніщо не може зростати нескінченно. Снігова куля збільшиться так, що її вже не зрушить. Більшість населення отримає імунітет, і поширення вірусу уповільниться. Запаси первинного газу вичерпаються, і свіжі зірки нема з чого ліпити.

Віднесені вітром

Насправді ситуація ще цікавіша. У міру того, як хмари газу виснажувалися, турбулентні потоки змінювали свою поведінку. Ці струмені більше не розпадалися на протозіркові згустки. Тепер вони просто витікали з центру галактики на периферію, а можливо, і за її межі.

Природно запитати: чому поведінка газових потоків так змінилася? Тут замішана досить тонка фізика, але спробуємо описати її двома словами. На «фабриці зірок» газ має не лише вирувати локальними ущільненнями, а й ефективно охолоджуватися. По-перше, із надто гарячої речовини не виліпиш зірку: наростаючий тиск зупинить стиск протозоряної хмари. По-друге, отриману від чорної діри енергію треба кудись подіти, щоб газ залишився на місці, а не полетів геть.

Коли газ у протогалактиці став надто розрідженим, попередні механізми охолодження перестали працювати. «Фабрика зірок» закрилася, і почався «відтік капіталу». За розрахунками авторів, цей драматичний перехід стався, коли Всесвіту виповнився приблизно мільярд років.

Насіння майбутнього

Отже, галактики рано дозріли, оскільки чорні дірки в їхньому центрі дозріли ще раніше. Але як це вдалося чорним діркам? Чи не перекладаємо проблему на інший край столу замість її вирішення?

Астрономи досі не знають, як утворилися надмасивні чорні дірки. Одна з теорій свідчить, що це безліч зліплих чорних дірок зоряної маси. Останні, у свою чергу, утворюються з зігрілих зірок. Зрозуміло, що нам такий сценарій не підходить. Адже автори мають чорні діри вже надмасивні, коли в галактиці ще дуже мало зірок.

Інша версія вирощує надмасивні чорні дірки з «важкого насіння». Так поетично астрономи називають чорні дірки масою до 100 тисяч сонців, що утворилися із щільних газових хмар. Стягуючи на себе навколишній газ, подібне «насіння» може розростись до мільйонів та мільярдів сонячних мас. Ця теорія так-сяк справляється з надмасивними чорними дірками, що виникли через 500 мільйонів років після Великого вибуху (квазари такого віку відомі спостерігачам). Але про перші 100 мільйонів років існування Всесвіту не може бути й мови.

У чому секрет раннього дозрівання СМЧД? Автори пропонують кілька рішень. Одне з них — збільшити кількість первинних чорних дірок у Всесвіті.

На початку були дірки

Первинні чорні дірки – це буквально перші астрономічні об’єкти у Всесвіті. Вони утворилися першу секунду після Великого вибуху. Ще не було навіть атомів, не кажучи про галактики та зірки.

Звідки вони взялися? Ми вже говорили про первинні неоднорідності, гравітація яких дала початок галактикам. Деякі з цих неоднорідностей випадково виявилися настільки щільними, що відразу, без додаткових порцій матерії, перетворилися на чорні дірки. Ці чорні дірки і називаються первинними.

На превеликий жаль для спостерігачів, чорним діркам не видають свідоцтв про народження. По чорній дірі майже неможливо сказати, чи існує вона з першої секунди існування Всесвіту або народилася набагато пізніше. Тому поки що і не відомо жодної чорної дірки, яку можна було б впевнено розпізнати як первинну. З іншого боку, теоретики впевнені, що первинні темні діри реальні. Їхнє існування невблаганно випливає з будь-якої розумної космологічної теорії.

Згідно з викладками космологів, первинні чорні дірки мали дуже різноманітну масу: від порошинок до надмасивних гігантів. Зрозуміло, що потужні об’єкти зустрічалися рідше легень. Цей закон працює завжди, коли гравітація ліпить із матерії грудки. Його легко простежити навіть у Сонячній системі: планет мало, великих астероїдів набагато більше, дрібних ще більше, а всяка дрібниця на кшталт метеороїдів взагалі не піддається підрахунку. Запам’ятати цей принцип допомагає лаконічна формула: тарганів більше, ніж слонів.

Але як саме більше? Скільки чорних дірок — «тарганів» припадало на одного «слона»? І скільки «слонів» утворилося у видимому Всесвіті?

На це питання немає точної відповіді. Теорія допускає різні варіанти, що не суперечать спостереженням. У найпростіших моделях утворюється дуже мало скільки-небудь масивних чорних дірок. Але не виключено, що насправді їх не менше, ніж галактик. І тоді можна припустити, що саме первинні чорні дірки стали «важким насінням», а то й готовими СМЧД в ядрах галактик.

Втім, це єдиний варіант. Автори згадують можливість «підкрутити» розподіл початкових неоднорідностей. Тоді чорні дірки в центрах галактик встигнуть вирости без будь-яких первинних «насіння». Є й інші сценарії — щоправда, ще екзотичніші.