Астрономы обнаружили новый класс гигантских черных дыр. Одна из них — в центре нашей галактики

В центре нашей галактики находится огромная черная дыра. Размером она напоминает Солнце, но при этом в миллионы раз тяжелее. Ее огромное гравитационное притяжение перемешивает межзвездную пыль и газ вокруг нее. Эта сверхмассивная черная дыра — «сердце» Млечного Пути, определяющее формирование и эволюцию нашей галактики на протяжении 13 млрд лет всей ее истории и способствующее возникновению солнечных систем, подобных нашей. Время от времени звезды приближаются к ней слишком близко и разрываются на части, исчезая без следа.

Почти каждая крупная галактика имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру. Та, что находится в нашей, носит название Стрелец А*, или Sgr A*. За последнее десятилетие астрономы обнаружили черные дыры гораздо большего размера. Некоторые из них в тысячу раз массивнее Стрельца А*, а их размер больше Солнечной системы.

Обзор, открывающийся с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), позволяет взглянуть, как формируются черные дыры. Но остается  загадкой, откуда они взялись и каких размеров могут достигать. Измерить такие крупные и далекие объекты, которые по самому определению нельзя наблюдать напрямую, непросто, но уже известно, что некоторые из них поражают своими размерами.

Одна из самых крупных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день, известная как Ton 618, скрывается в центре квазара на расстоянии около 18 млрд световых лет от Земли. По оценкам, ее масса в 66 млрд раз больше массы Солнца, а ширина в 40 раз превышает расстояние между Нептуном и Солнцем. Черная дыра в центре скопления галактик под названием Holm 15A в 44 млрд раз тяжелее Солнца, а ее размер в 30 раз превышает расстояние между Нептуном и Солнцем.

Однако некоторые ученые считают, что в глубинах космоса могут скрываться еще более крупные черные дыры. «С теоретической точки зрения предела нет», — говорит Джеймс Найтингейл, космолог-наблюдатель из Университета Ньюкасла (Великобритания), который в марте 2024 года обнаружил сверхмассивную черную дыру, масса которой в 33 млрд раз больше массы Солнца.

Черные дыры бывают разных размеров. Самые маленькие могут быть размером с атом. Возможно, более часты черные дыры, чья масса приближена к массе звезды. Они возникают в результате коллапса очень массивных звезд. Их масса от трех до 50 раз больше массы нашего Солнца, но при этом они сжимаются в объект «размером с Лондон», говорит Джули Хлавачек-Ларрондо, астрофизик из Монреальского университета в Канаде.

Черные дыры средней массы образуют следующую группу и достигают массы, примерно в 50 тыс. раз превышающей массу Солнца, охватывая область пространства размером с Юпитер. Сверхмассивные черные дыры достигают массы, в миллионы или миллиарды раз превышающей массу Солнца.

Хотя строгого определения сверхмассивной черной дыры пока не существует, принято считать, что ее масса в 10 млрд раз больше массы Солнца, говорит Главачек-Ларрондо. Хотя нет причин, по которым черная дыра не может вырасти до таких размеров, их существование стало неожиданностью для ученых, учитывая относительно молодой возраст Вселенной — всего 13,7 млрд лет.

«Возникновение столь массивных черных дыр трудно объяснить», — говорит Главачек-Ларрондо, имея в виду, как черные дыры поглощают материю из окружающего их пространства благодаря своему гравитационному притяжению. Теоретически, она должна расти бесконечно, а любой объект, пересекающий горизонт событий, приводит к увеличению массы черной дыры.

На практике возраст Вселенной и скорость роста черных дыр должны ограничивать их размеры. В настоящее время они, вероятно, не превышают массу Солнца более чем в 270 млрд раз. Однако некоторые ученые считают, что часть черных дыр могли бы вырасти гораздо больше, достигая триллионов солнечных масс, если бы они поглощали материю быстрее, чем ожидалось. Радиус таких объектов составлял бы примерно световой год. Пока такие объекты не обнаружены, но нельзя исключать, что они скрываются в центрах некоторых галактик.

Астрономы заметили первые сверхмассивные черные дыры в начале 2010-х гг. С тех пор их было обнаружено около 100. В марте 2023 года Найтингейл и его коллеги объявили, что открыли новую сверхмассивную черную дыру массой около 33 млрд солнечных масс. Они смогли увидеть ее только благодаря тому, что свет от более удаленной галактики огибал черную дыру.

«Это было очень неожиданное открытие», — говорит Найтингейл. Наблюдать черные дыры напрямую невозможно из-за самой их природы. На их границе, известной как горизонт событий, гравитация становится настолько сильной, что ничто не может от нее ускользнуть, даже свет. Поэтому увидеть их можно, только если они отбрасывают тень на окружающую материю, которую пожирает черная дыра.

Однако можно сделать вывод об их существовании, посмотрев на галактику и отметив влияние центральной черной дыры. Один из способов — поиск мощных потоков, исходящих из полюсов черной дыры. «Мы до сих пор не понимаем, как именно формируются эти структуры, — говорит Главачек-Ларрондо. — Они могут простираться на миллионы световых лет в длину».

Черные дыры также могут создавать горячие кольца материи, т. н. аккреционные диски, которые вращаются вокруг них, по мере того как они поглощают материю. Огромная гравитация заставляет ее закручиваться по спирали «примерно со скоростью света», говорит Главачек-Ларрондо. Приближаясь к черной дыре, такие кольца испускают яркие рентгеновские лучи. Чем больше черная дыра, тем больше рентгеновских лучей и радиоволн от них исходит.

Физика сверхмассивных и более мелких черных дыр во многом одинакова. Большая масса приводит к большему радиусу горизонта событий. Однако сверхмассивные черные дыры обладают интересным свойством, обусловленным их размерами.

Попав в черную дыру звездной массы, человек испытал бы нечто, известное как спагеттизация, — тело растянулось бы до бесконечности из-за разницы в гравитации между ногами и головой. Однако в сверхмассивной черной дыре гравитационный градиент гораздо менее крут, поскольку она простирается гораздо дальше в космос, настолько, что человек едва заметил бы падение за горизонт событий.

«Спагеттизация не произойдет, — говорит Найтингейл. — Единственное, что могло бы выдать вашу судьбу, — это искривление звездного света вокруг вас под действием гравитации черной дыры».

Благодаря мощности JWST астрономы теперь могут заглянуть все дальше и дальше в прошлое из-за времени, которое требуется свету, чтобы добраться до нас из отдаленных уголков Вселенной. Это позволяет увидеть галактики в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной.

Чтобы столь далекие черные дыры выросли до таких размеров, они должны были возникнуть сравнительно рано в истории Вселенной и активно поглощать материю, что противоречит многому из того, что мы знаем о природе формирования черных дыр. Тем не менее астрономы начинают находить доказательства этой теории.

Благодаря JWST ученые обнаружили ранее неизвестные типы галактик. Сотни странных, компактных галактик, которые светят гораздо ярче, чем можно было бы ожидать, существовали через 600 млн-1 млрд лет после Большого взрыва. Из-за своего цвета и размера они стали известны как галактики с маленькими красными точками. Особенно удивительным является излучаемый ими свет, который, похоже, указывает , что в них скрываются сверхмассивные черные дыры.

Эти наблюдения говорят о том, что черные дыры действительно быстро растут. Крупные черные дыры в центрах галактик, как правило, примерно в 1 тыс. раз меньше своей галактики. Но JWST позволил обнаружить черные дыры, которые по размеру равны своей галактике. Следовательно, они могли образоваться раньше, чем вокруг них выросли галактики.

По словам Ханны Юблер, космолога из Кембриджского университета (Великобритания), их масса «в десятки и даже в несколько сотен раз» больше, чем можно было ожидать. Астрономы называют эти черные дыры сверхмассивными. Это «удивительно и ставит под сомнение теоретические модели, объясняющие, как эти черные дыры смогли так быстро стать такими массивными», говорит Юблер.

Каким образом эти черные дыры так быстро достигли такой массы, остается загадкой, и, скорее всего, это связано с тем, как они формировались на заре существования Вселенной. Согласно одной из теорий, они образовались в результате гибели первых звезд, так называемых звезд III популяции, которые были в 100-1 тыс. раз массивнее Солнца и состояли почти полностью из гелия и водорода. Взрывы этих звезд выбросили во Вселенную более тяжелые элементы. Из них впоследствии возникли другие звезды и планеты, в том числе Солнце и Земля. Но их гибель также могла привести к образованию больших черных дыр.

«Черные дыры, возникшие от этих звезд, более массивны, чем черные дыры звездной массы, — говорит Мар Мезкуа, астрофизик из Института космических наук в Испании. — Благодаря этому они могут расти и имеют больше шансов стать сверхмассивными за довольно короткое время».

Другая возможность заключается в том, что первые черные дыры преимущественно образовались не из звезд, а из облаков газа, известных как черные дыры прямого коллапса. Обычно эти облака формируют звезды, конденсируясь под действием гравитации, но если температура достаточно высока, то некоторые облака могут не образовывать звезды, а прямо коллапсировать в черные дыры. «Такие условия не встречаются в современной Вселенной», — говорит Мезкуа. Однако в жарких и бурных условиях ранней Вселенной это было возможно, считает она.

Пока не обнаружены ни звезды популяции III, ни черные дыры с прямым коллапсом, поэтому неизвестно, какой механизм формирования черных дыр доминировал в ранней Вселенной, если он вообще был.

Как бы ни образовались эти черные дыры, как им удалось быстро вырасти до больших размеров? Одна из теорий — их было очень много, и они сливались друг с другом, образуя все большие и большие черные дыры, сначала средней массы, затем сверхмассивные.

Это подтверждает идею, что они возникли из звезд популяции III, поскольку их должно было быть больше, чем черных дыр прямого коллапса. Если астрономы найдут несколько черных дыр промежуточной массы в небольших галактиках, это может поддержать идею прямой коллапсарной черной дыры, говорит Мезкуа.

Сверхмассивные черные дыры также могли быстро расти за счет скачкообоазного поглощения материи. Астрономы наблюдали некоторые молодые галактики, яркие и активные, но в других есть большая черная дыра, которая кажется спящей. Это позволяет предположить, что последняя уже поглотила большое количество материи. «Мы не знаем, как долго будет продолжаться этот цикл, — говорит Главачек-Ларрондо. Однако периоды такой активности, по его словам, скорее всего, будут редкими. «Может быть, 1% от времени жизни черной дыры», — считает он.

Остается неясным, каких размеров могут достигать черные дыры в современном космосе. «У нас есть приблизительная оценка, основанная на возрасте Вселенной, — около 270 млрд солнечных масс. Но, возможно, Вселенная нас удивит», — говорит Главачек-Ларрондо.