Подписывайтесь на нас в соцсетях

fb.com/scientificatheism.org

Новейшая астрофизическая теория коэволюции превращает губительные для материи черные дыры в соавторов современной Вселенной

Тигран Оганесян

До самого недавнего времени о черных дырах было принято говорить исключительно в минорной тональности, дескать, это нечто фатальное, зловещее, символизирующее конец жизненного цикла крупных звезд, пожирающее все, что находится в зоне их мощнейшего гравитационного поля. Однако, как показывает новейшая история астрофизики, подобные обывательские представления в скором времени, вероятно, могут быть существенно скорректированы.

Гипотеза Лапласа

Гипотеза о незримом присутствии во Вселенной таинственных объектов, гравитационное притяжение которых так велико, что ни обычное вещество, ни свет, ни другие носители информации не в состоянии выйти за их пределы, пожалуй, самая популярная теоретическая идея астрофизики ХХ века. Первым возможность существования черных дыр предсказал знаменитый французский математик XVIII века Симон-Пьер де Лаплас, который, изучая ньютоновскую теорию тяготения, пришел к выводу, что вторая космическая скорость, т. е. скорость, необходимая для того, чтобы преодолеть гравитационное поле определенного объекта (например, планеты или звезды), у особо массивных небесных тел должна превышать скорость света. Исходя из этого, Лаплас резонно заключил, что такие тела должны быть невидимыми, ибо указанную скорость исходящий из них свет развить не может по определению.

Долгие годы версия Лапласа считалась неправдоподобной, и лишь после того, как Альберт Эйнштейн в начале прошлого века открыл теорию относительности и доказал квантовую природу света, астрофизики всерьез заинтересовались этим мыслительным кунштюком: математическое обоснование теории черных дыр в 1916 году предложил немецкий физик Карл Шварцшильд, а в конце 30-х годов его дополнил Роберт Оппенгеймер.

Согласно классическим постулатам, черные дыры - это последний этап эволюции звезд большой массы. Для превращения звезд в черные дыры необходимо, чтобы они были тяжелее нашего Солнца в три-пять и более раз.

К слову, сам термин "черные дыры" был придуман сравнительно недавно - его предложил в 1967 году американский исследователь Джон Уилер. Примерно тогда же у астрофизиков появились и первые косвенные свидетельства реального существования этих неуловимых объектов во Вселенной.

Однако, отмечается в одной из научно-популярных заметок, "поиск изолированных черных дыр в космосе безнадежно труден: мы не сможем заметить маленький темный объект на фоне космической черноты". Поэтому астрономам приходится применять методы наблюдения, основанные на изучении опосредованных доказательств наличия черных дыр в космосе. Так, один из методов поиска черных дыр состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центрального объекта в галактике. Зная их расстояние от центрального объекта, можно вычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность, характерную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способом в 1996 году Джон Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно, находится черная дыра в 40 млн солнечных масс.

Однако наиболее перспективным является поиск черной дыры в бинарных системах, где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс. По периодическому доплеровскому смещению линий в спектре звезды можно понять, что она обращается в паре с неким телом, и даже оценить массу последнего. Если эта масса превышает три массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то очень возможно, что это черная дыра.

В компактной двойной системе черная дыра может захватывать газ с поверхности нормальной звезды. Двигаясь по орбите вокруг черной дыры, этот газ образует диск и, приближаясь по спирали к черной дыре, сильно нагревается, достигая температуры около 1 млн градусов, в результате чего становится источником мощного рентгеновского излучения. С 70-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойных системах с явными признаками наличия черных дыр. Самой перспективной считается рентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в шесть масс Солнца.

В первый миллиард лет

Согласно становящейся популярной экстравагантной теории коэволюции (coevolution), или, иначе говоря, совместной эволюции, пресловутые черные дыры, "невидимые космические палачи", приводящие в исполнение смертный приговор материи, всерьез претендуют теперь на роль "галактических скульпторов". Разработчики этой теории утверждают, что, во-первых, черные дыры - важнейший фактор эволюции галактик и формирования их пространственной конфигурации, а во-вторых, черные дыры с высокой степенью вероятности следует считать первичным продуктом эволюции галактик, составной частью которых они и являются.

Основы теории коэволюции были сформулированы еще два-три десятилетия назад, однако вплоть до конца 90-х годов она причислялась к маргинальным. Быстрый рост популярности теории коэволюции в последние годы, обусловленный внезапно обнаружившимися многочисленными экспериментальными свидетельствами ее обоснованности, привел к тому, что к настоящему времени она уже с полным правом может считаться частью научного мейнстрима. Так, в конце 2002 года в Соединенных Штатах была организована первая в истории астрофизики научная конференция, посвященная теории коэволюции, а к мейнстриму ее официально причислили буквально на днях - на очередном ежегодном собрании Американского астрономического общества, прошедшем в конце января этого года в Калифорнии. Именно там были впервые представлены веские доказательства того, что галактики действительно возникают и формируются вокруг древнейших черных дыр, родившихся в первый миллиард лет после Большого взрыва.

Куда делись средневесы

Что образовалось раньше, черные дыры или галактики, - один из самых сложных вопросов современной астрофизики. Как нетрудно догадаться, в период, предшествующий нынешнему триумфальному шествию теории коэволюции, весь научный мир был разделен на два лагеря - сторонников исторического приоритета черных дыр и сторонников галактического начала.

Центристы-коэволюционисты, похоже, вознамерились примирить этих радикалов. Так, по словам одного из ведущих разработчиков новой теории Роже Виндхорста из Университета штата Аризона, "многие проблемы легко разрешаются, если предположить, что галактики эволюционируют одновременно с растущими черными дырами".

В пользу подобного вывода говорит многое. Так, еще в середине 90-х ряд ученых выдвинул гипотезу о прямой взаимосвязи между формой галактик и предполагаемым наличием в их центре массивных черных дыр - последние должны присутствовать только у галактик со сферическим, "пузыреобразным" ядром (к числу таковых относится и наш Млечный Путь). В 2000 году астрономам удалось получить эмпирические доказательства того, что в самом сердце большинства, а возможно, и всех галактик этого типа обязательно прячется черная дыра. Более того, анализ полученных данных показал наличие прямой корреляции между массой этих черных дыр и формой и размерами как центрального ядра, так и галактики в целом.

Другой, более свежий пример - открытие в конце прошлого года так называемых ранних квазаров. Квазары - компактные яркие объекты (их размеры, как правило, вполне сопоставимы с размерами нашей Солнечной системы), удаленные от нас на несколько миллиардов световых лет и считающиеся самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Согласно новейшим теоретическим изысканиям, квазары - это зарождающиеся галактики, короткая промежуточная фаза их эволюции, длящаяся не более миллиона лет. Ученые установили, что в центре квазаров имеются огромные черные дыры, масса которых в несколько сот миллионов и даже миллиардов раз превышает массу Солнца, и именно благодаря колоссальному гравитационному полю этих дыр окружающий квазар межзвездный газ, постоянно всасываясь внутрь и разгоняясь до скоростей, близких к скорости света, избавляется от растущей энергии, выбрасывая в окружающее пространство разнообразные побочные продукты - радиоволны, рентгеновские лучи и так далее. (Именно эти мощные выбросы и позволяют земным астрономам улавливать столь удаленные космические объекты.)

Кроме того, астрофизики предполагают, что квазары могут быть окружены плотным гало полумифической темной материи и, опять-таки, между массой центральной черной дыры и массой этого гало может существовать прямая корреляция. Впрочем, последняя гипотеза пока еще ничем не подтверждена, и говорить о том, что темная материя, так же как и черные дыры, непосредственно вовлечена в процесс галактической эволюции, рановато.

Нет определенности и в вопросе о роли сверхкрупных черных дыр в процессе формирования самых ранних звезд. Так, по оценкам космологов, первые черные дыры предположительно образовались во Вселенной в промежутке между 300 и 800 млн лет после Большого взрыва. Если же руководствоваться результатами последних измерений (февраль 2003 года), сделанных в результате анализа данных космической обсерватории MAP, первые звезды возникли всего спустя 200 млн лет после возникновения Вселенной.

Наконец, множество вопросов остается и в отношении самих черных дыр. Так, до сих пор не ясно, каким именно путем образовались первые черные дыры - было ли это следствием серии последовательных слияний окружающей их сырой звездной массы или итогом коллапса конденсировавшегося облака газа.

Одна из самых трудноразрешимых проблем: есть или нет во Вселенной так называемые черные дыры-средневесы? В то время как существование двух основных типов черных дыр (сверхкрупных, цементирующих ядра галактик, и относительно небольших, образующихся в результате гравитационного коллапса "отдельно взятых" агонизирующих звезд) можно уже считать практически доказанным, найти какие-либо следы наличия промежуточного класса астрономам пока не удается. Впрочем, большинство ученых полагают, что, даже если они и существуют, такие черные дыры неизбежно затем сливаются с соседями, то есть являются промежуточным строительным материалом при формировании сверхкрупных дыр. По крайней мере, астрофизики сегодня уже практически достигли консенсуса относительно того, что процесс слияния галактик во Вселенной действительно имеет место, а раз так, то логично предположить, что то же самое происходит и с "конституирующими" их черными дырами.

В числе прочих задач на будущее остаются и такие фундаментальные, как точное определение массы черных дыр и момента вращения, нет у астрофизиков и четкого понимания "механики" их образования (каким именно образом происходит захват и поглощение материи черными дырами). У новейшей теории коэволюции пока ответов на них нет, но кое в чем она уже существенно продвинулась по сравнению с классическими вариантами объяснения мироздания. Дальнейший прогресс в космологии, безусловно, будет зависеть прежде всего от совершенствования измерительных методик и аппаратуры. Что же касается фантазии теоретиков, за ними дело не станет.