Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Галактики являются яркими объектами, потому что состоят из огромного числа звезд. Но иногда в самом центре (ядре) галактики находится источник, который по своему энерговыделению превосходит десятки миллиардов (или даже десятки тысяч миллиардов) звезд типа Солнца. Тогда мы говорим об активном ядре галактики, «сердцем» которого является сверхмассивная черная дыра.

Энерговыделение активного ядра в экстремальных случаях может превосходить суммарную светимость всех звезд этой галактики.

Первые галактики с активными ядрами были идентифицированы Карлом Сейфертом (Carl Seyfert) по наблюдениям спектральных линий в 1943 г. Однако активное изучение подобных объектов началось уже в 1950-е гг. – с развитием радиоастрономии. Ключевым моментом стало определение Мартином Шмидтом в 1963 г. расстояний до квазаров, после чего проблема объяснения существования внегалактических очень компактных (менее миллиарда километров) и очень мощных источников излучения стала весьма актуальной.

В течение нескольких лет рассматривалось несколько вариантов объяснения активности галактических ядер: большое количество сверхновых, очень массивные звездоподобные объекты, плотное скопление звезд в ядре галактики и т. д. Наконец, в 1964 г. Яков Зельдович, Игорь Новиков и Эдвин Солпитер предположили, что мощное энерговыделение в квазарах и родственных им объектах можно объяснить аккрецией большого количества газа на сверхмассивную черную дыру массой от десятков миллионов до миллиарда масс Солнца.

Активное исследование ядер галактик началось в 1950-е гг. с развитием радиоастрономии.

В 1969 г. Дональд Линден-Белл предположил, что неактивные сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут быть часто встречающимися объектами, поскольку время активности квазара намного меньше времени жизни галактики. Это открывало путь к поиску таких спокойных сверхмассивных черных дыр и определению их свойств.

В 1964 г. Зельдович, Новиков и Солпитер предложили модель аккреции на сверхмассивную черную дыру.

Существует сверхмассивная черная дыра и в центре нашей Галактики. Ее масса составляет около 4 млн масс Солнца, и она наблюдается как слабый источник в разных диапазонах спектра. Изредка происходят короткие вспышки, связанные с повышением активности, но даже тогда светимость не превосходит светимости ярких звезд. Однако исследования показали, что не всегда активность этой черной дыры была низкой.

Массу черной дыры в центре нашей Галактики удалось очень точно определить с помощью наблюдения вращения звезд вокруг нее (вообще, самые точные оценки масс черных дыр можно получить, изучая вращение объектов на небольшом расстоянии от них). В других галактиках мы можем наблюдать движение газа в окрестности черной дыры или вращение мазерных источников вокруг нее (см. раздел 7.3 «Сверхмассивные черные дыры»), что также дает очень точные оценки. Существует еще ряд методов, позволяющих с большей или меньшей точностью определять массы сверхмассивных черных дыр.

В центре нашей Галактики находится черная дыра с массой около 4 млн солнечных.

Сейчас мы знаем, что практически все галактики с заметным балджем (центральной сферической составляющей) имеют сверхмассивные черные дыры. Массы известных объектов этого типа простираются от нескольких сотен до пары десятков миллиардов масс Солнца. Существует заметная корреляция массы черной дыры с массой балджа (но не полной массой галактики!). Как правило, черные дыры как минимум в сотни и тысячи раз легче своих галактик.

В конце 1960-х гг. было обнаружено рентгеновское излучение активных ядер. Оказалось, что некоторые квазары излучают в рентгеновском диапазоне столько же энергии, сколько и в оптическом (как показали наблюдения на спутниках Chandra («Чандра», назван в честь Субраманьяна Чандрасекара) и XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission, Рентгеновский многозеркальный телескоп), бóльшая часть рентгеновского фонового излучения связана с далекими активными ядрами галактик). Это послужило дополнительным аргументом в пользу объяснения их активности с помощью сверхмассивных черных дыр. Позже было обнаружено и гамма-излучение активных ядер, и сейчас эти источники активно изучаются во всех диапазонах электромагнитного спектра. В ряде моделей с ними связывают рождение космических лучей высоких энергий и высокоэнергичных нейтрино, происхождение которых пока окончательно не установлено.