Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Мы говорили о двух типах черных дыр. Одни формируются в результате гибели массивной звезды, которая, начав жизнь с массой, составляющей от 8 до 100 солнечных, оставляет после себя темный объект массой от 3 до 50 солнечных. Другие образуются в центре галактики и имеют массу от нескольких миллионов солнечных в неактивных спиральных галактиках – таких как Млечный Путь – до нескольких миллиардов в гигантских эллиптических галактиках наподобие М87. Остается огромный разрыв между массами – 5 10, от нескольких десятков до нескольких миллионов масс Солнца. Существуют ли черные дыры промежуточной массы?

Было обнаружено небольшое количество объектов, укладывающихся в разрыв – ближе к его нижней границе. Вспомним, что Артур Эддингтон рассчитал предел яркости черной дыры. Чем активнее питается черная дыра, тем ярче она светится, но, даже если ей от звезды-компаньона по двойной системе достается огромное количество газа, она имеет предел яркости. Давление излучения аккреционного диска противодействует гравитационному притяжению черной дыры, и в какой-то момент избыточный газ, пытающийся упасть в нее, отбрасывается обратно в окружающее пространство. Это так называемый предел Эддингтона. Тридцать лет назад был открыт редкий класс ультраярких рентгеновских источников (ultra-luminous X-ray source, ULX). Они выбрасывают в миллион раз больше суммарной энергии Солнца в виде рентгеновского излучения и имеют такую яркость, что наблюдаются в галактиках, удаленных на миллионы световых лет. Согласно пределу Эддингтона, эти черные дыры должны быть в сотни или тысячи раз массивнее Солнца, то есть находиться точно посередине разрыва масс [223].

Яркие двойные источники рентгеновского излучения важны по другой причине. Некоторые являются уменьшенными версиями квазаров. Необычная двойная система SS433 находится в 18 000 световых лет, в созвездии Орла. Громадная голубая звезда делает оборот вокруг черной дыры за 13 дней и поставляет газ в окружающий ее аккреционный диск. Часть горячего газа падает в черную дыру, а остальное выбрасывается в парных джетах вдоль оси вращения черной дыры. Газ движется на одной четвертой скорости света, проходя 1,6 км за 20 мкс [224]. SS433 – эталонный микроквазар (илл. 39). Микроквазары имеют все элементы квазара – вращающуюся черную дыру, аккреционный диск, мощное высокоэнергетическое излучение, релятивистские джеты, – но меньше в миллион раз. В Млечном Пути есть только 100 известных нам микроквазаров, но они очень полезны для моделирования и понимания экстремальной астрофизики квазаров [225]. Время потребления топлива квазарами намного превышает человеческую жизнь, тогда как у микроквазаров этот период составляет несколько часов, поэтому их легко наблюдать.

Что можно сказать о нижней границе масс сверхмассивных черных дыр? Давайте обратимся к главному предположению минувших десятилетий: тьма лежит в сердце каждой галактики. Квазары и активные галактики редки. Центральные черные дыры большинства галактик неактивны большую часть времени, и их можно обнаружить только по их влиянию на звезды возле центра галактики. Собирая все больше данных о черных дырах соседних галактик, астрономы заметили поразительную зависимость. Масса неактивной центральной черной дыры точно предсказывается разбросом скоростей – диапазоном движений, указывающих на общую массу, – старых звезд галактики [226]. Удивительная корреляция! Черная дыра этого типа распространяет свое влияние лишь на область в самом центре галактики, а звезды галактики имеют в 500 раз бо?льшую массу. Почему эти разнородные показатели связаны?

Астрономы не дают уверенного ответа, но недавно эта корреляция была также примерена на карликовые галактики и даже шаровые звездные скопления с черными дырами в несколько тысяч солнечных масс (илл. 40). Эллиптические галактики очень велики и почти полностью состоят из старых звезд, поэтому имеют самые массивные черные дыры. В спиральных галактиках – как Млечный Путь – меньше старых звезд, основная часть которых сконцентрирована в маленьком центральном балдже [227], поэтому их черные дыры имеют более скромные размеры.

Наблюдение за небольшими черными дырами – трудная задача, телескопы и детекторы должны работать на пределе возможностей. Лучшими объектами являются шаровые звездные скопления – сферические облака из звезд на орбитах в гало больших галактик. Поскольку они содержат от нескольких сот тысяч до нескольких миллионов звезд, то, согласно вышеописанной корреляции, их черные дыры должны иметь массу в несколько тысяч солнечных. Сообщалось об их обнаружении, но ни одно заявление не выдержало скрупулезной проверки. Тем не менее несколько объектов заполнили этот пробел. В 2012 г., например, в карликовой галактике ESO 243–29 была обнаружена черная дыра в 20 000 солнечных масс, а в 2015 г. в карликовой галактике RGG 118 – черная дыра в 50 000 солнечных масс.