Черные дыры могут быть не такими губительными для жизни, как предполагалось. Исследование показывает, что мощное излучение активных галактических ядер (AGN) — сверхмассивных черных дыр в их энергетической фазе — на самом деле может помочь защитить жизнь на близлежащих планетах.

В центре большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь, находится сверхмассивная черная дыра. Межзвездный газ периодически попадает на орбиту этих бездонных ям, переключая черную дыру в режим активного галактического ядра (AGN), выбрасывая высокоэнергетическое излучение по всей галактике.

В таких условиях едва ли можно ожидать процветания растений или животных. Однако новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal, показывает, что излучение AGN может оказывать на жизнь парадоксально благотворное воздействие. Вместо того чтобы привести вид к вымиранию, оно может способствовать его успеху.

Исследование может быть первым, которое конкретно измерит с помощью компьютерного моделирования, как ультрафиолетовое излучение AGN способно преобразовать атмосферу планеты, чтобы помочь или помешать жизни. В соответствии с исследованиями, изучающими эффекты солнечной радиации, исследователи обнаружили, что польза — или вред — зависит от того, насколько близко планета находится к источнику радиации и закрепилась ли уже жизнь.

«Как только жизнь существует и насыщает атмосферу кислородом, радиация становится менее разрушительной и, возможно, даже полезной, — говорит Кендалл Сиппи (24 года), ведущий автор исследования. — Как только этот мост преодолен, планета становится более устойчивой к ультрафиолетовому излучению и защищенной от потенциальных событий, ведущих к вымиранию».

Исследователи смоделировали воздействие излучения AGN не только на Землю, но и на планеты земного типа с различным составом атмосферы. Они обнаружили, что при наличии кислорода излучение вызывает химические реакции, которые способствуют утолщению озонового слоя планеты. Причем чем выше концентрация кислорода в атмосфере, тем более заметен этот эффект.

Высокоэнергетический свет легко вступает в реакцию с кислородом, расщепляя молекулу на отдельные атомы, которые рекомбинируют, образуя озон. По мере накопления озона в верхних слоях атмосферы он отражает все больше и больше опасного излучения обратно в космос. Своим благоприятным климатом Земля обязана аналогичному процессу, который произошел около двух миллиардов лет назад с появлением первых микробов, вырабатывающих кислород.

Излучение солнца помогло молодой жизни на Земле насытить атмосферу кислородом и озоном. По мере того как защитный озоновый слой нашей планеты становился толще, жизнь процветала, производя больше кислорода и еще больше озона. Согласно гипотезе Геи, сложные формы жизни появились благодаря таким полезным циклам обратной связи.

«Если жизнь может быстро насыщать атмосферу планеты кислородом, озон может помочь регулировать атмосферу, чтобы благоприятствовать условиям, необходимым для роста жизни, — говорит соавтор исследования Джейк Игер-Нэш, постдокторант в Университете Виктории. — Без механизмов обратной связи, регулирующих климат, жизнь может быстро вымереть».

В реальной жизни Земля не настолько близка к своей резидентной черной дыре, Стрельцу А, чтобы ощутить ее влияние, даже в режиме AGN. Но исследователи хотели посмотреть, что может произойти, если Земля окажется гораздо ближе к гипотетической AGN и, соответственно, подвергнется излучению в миллиарды раз большему.

Воссоздав бескислородную атмосферу Земли в архейском периоде, они обнаружили, что радиация практически исключает развитие жизни. Но по мере повышения уровня кислорода, приближающегося к современному, озоновый слой Земли рос и защищал землю от опасной радиации.

«При современном уровне кислорода это заняло бы несколько дней, что, надеюсь, означало бы, что жизнь может выжить, — говорит Эгер-Нэш. — Мы были удивлены тем, как быстро отреагировал уровень озона».

На планете земного типа в более старой галактике, где звезды сгруппированы ближе к ее AGN, они обнаружили совершенно иную картину. В галактике типа «реликт красного самородка», такой как NGC 1277, эффекты были бы смертельными. Звезды в более массивных галактиках с эллиптической формой, таких как Messier-87 или наш спиральный Млечный Путь, разбросаны больше и, следовательно, дальше от опасного излучения AGN.

Сиппи заинтересовался черными дырами и присоединился к лаборатории профессора Райана Хикокса в Дартмуте.

В 2023 году Хикокс отправился в творческий отпуск в Англию и на Queen Mary 2 познакомился с астрофизиком Натаном Мейном. Они обнаружили общий интерес к радиации и применению программного обеспечения PALEO для моделирования солнечной радиации в атмосферах экзопланет и излучения активного ядра галактики.

Эта встреча открыла Сиппи путь к работе с Игер-Нэшем, тогда аспирантом в лаборатории Мейна. Используя язык программирования Julia, они ввели в свою модель начальные концентрации кислорода и других атмосферных газов на своей планете, похожей на Землю.

«Она моделирует каждую возможную химическую реакцию, — говорит Сиппи. — Она выдает графики количества излучения, попадающего на поверхность в разных длинах волн, и концентрацию каждого газа в вашей модели атмосферы в разные моменты времени».

Обратная связь, которую они обнаружили в насыщенной кислородом атмосфере, оказалась неожиданной. «Наши коллеги не работают с излучением черной дыры, поэтому они не были знакомы со спектром черной дыры и с тем, насколько ярче может стать AGN, чем звезда, в зависимости от того, насколько близко вы к ней находитесь», — говорит Хикокс.

Без везения, которое объединило две лаборатории, проект, возможно, никогда бы не состоялся. «Это своего рода понимание, которое можно получить только путем объединения различных наборов экспертных знаний», — добавляет он.

Черные дыры — это не просто космические «пылесосы», это мощные энергетические двигатели, способные перераспределять огромные объемы энергии. Они вращаются и извлекают энергию через мощные магнитные поля, подпитывая формирование энергетических струй. Расширенные симуляции показывают, что до 70% этой энергии может быть перенаправлено в космос, влияя на яркость черных дыр и галактическую динамику.