10.3. Сверхмассивные черные дыры и активные ядра

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), б?льшая 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.

Чем массивнее балдж галактики, тем массивнее черная дыра в ее центре.

Существует много типов активных ядер галактик, имеющих разные наблюдательные проявления: радиогалактики, квазары, блазары, лайнеры, сейфертовские галактики и др. Значительную долю источников удается объяснить в рамках «единой модели», в которой разные проявления активности объясняются разной ориентацией системы активного ядра относительно наблюдателя. Аккрецирующая черная дыра окружена диском (кажется невероятным, но современные методы позволяют изучать структуру дисков вокруг далеких сверхмассивных черных дыр), а также газопылевым тором. Из внутренней части этой системы перпендикулярно плоскости диска может бить струя (джет), вещество в которой движется с околосветовой скоростью, причем протяженность некоторых струй достигает миллиона световых лет! Если мы смотрим вдоль струи, то видим очень активное и быстропеременное ядро – блазар. Если же мы смотрим с ребра, то сам центральный источник закрыт от нас тором, но мы можем видеть активность, связанную с внешними частями струи (разумеется, возможен и ряд промежуточных случаев).

Мы наблюдаем активные ядра галактик во всех диапазонах спектра.

Мы наблюдаем активность черной дыры, пока существует достаточно мощный приток газа. Однако иногда происходят спорадические вспышки, связанные с приливным разрушением отдельных звезд: если звезда пролетает слишком близко от черной дыры, то мощные приливные силы могут разорвать ее, превратив в плотное облако газа. Такое облако создаст на какое-то время аналог диска вокруг черной дыры – возникает яркий источник. Такие источники стали открывать в 1990-е гг., когда благодаря работе спутника ROSAT (ROentgen SATellite, Рентгеновский спутник) появилась возможность постоянного мониторинга большого числа объектов в рентгеновском диапазоне. Источники, связанные с приливным разрывом звезд, удается надежно идентифицировать не только по их положению в центрах галактик, но и по характерной спадающей кривой блеска.

Активность центральной черной дыры может быть стимулирована слиянием галактик – в этом случае мощные потоки газа могут направиться в центральную область, питая активное ядро. Однако важно помнить, что если сливаются две крупные галактики, то в центре каждой из них должна быть сверхмассивная черная дыра, и со временем обе черные дыры окажутся в центре объединенной галактики, образовав тесную пару (такие объекты наблюдаются). Затем под действием гравитационного излучения и взаимодействия с объектами в центральной части галактики дыры будут постепенно сближаться, пока не сольются, породив мощный всплеск гравитационного излучения. Косвенно такие всплески, вероятнее всего, можно будет зарегистрировать по высокоточным наблюдениям коррелированных сбоев периодов миллисекундных пульсаров или по астрометрическим наблюдениям в рамках проекта Gaia, а в будущем непосредственная регистрация станет возможной благодаря созданию космической гравитационно-волновой антенны eLISA.

В результате слияний галактик происходят слияния сверхмассивных черных дыр.

После слияния получившаяся черная дыра может получить значительную скорость – до сотен километров в секунду. Это может позволить ей вылететь из центра небольшой галактики или же существенно сместиться из самого центра крупной (последнее, возможно, наблюдается в нескольких галактиках). Вылет должен приводить к существованию заметного количества тяжелых черных дыр в гало галактик и в межгалактическом пространстве. Такие объекты могли выбрасываться на ранних стадиях формирования галактик, когда масса их гало была не слишком большой и сами черные дыры еще не успели набрать очень большую массу.

Сверхмассивные черные дыры успевают возникнуть в течение первого миллиарда лет жизни Вселенной.

Существует несколько вариантов появления сверхмассивных черных дыр, и, по всей видимости, все они могут реализовываться в природе. Самый консервативный механизм связан с самыми первыми звездами, которые могли быть весьма массивными и в конце своей короткой жизни порождали черные дыры с массами около 100–200 масс Солнца. В процессе иерархического скучивания эти черные дыры (чьи массы могли немного увеличиться за счет аккреции) попадали в центры формирующихся структур, где за счет слияний и дальнейшей аккреции постепенно увеличивали свою массу. За многие миллиарды лет они могли вырасти до массы в миллиарды масс Солнца.

Однако наблюдения показывают, что уже на красных смещениях z ? 5 – 10, спустя всего лишь сотни миллионов лет после образования первых звезд, существуют массивные черные дыры с массами в десятки миллионов солнечных. От момента формирования «зародышевых» черных дыр прошло менее миллиарда лет, и, начав с массы 100–200 солнечных, невозможно так быстро вырасти до десятков или сотен миллионов. Поэтому первые звезды здесь уже не помогут, необходимы сценарии, в которых черные дыры рождаются с массами в несколько тысяч или даже десятков тысяч масс Солнца.

Поэтому были придуманы еще два сценария. В одном из них происходит прямой коллапс массивного облака газа в черную дыру – это теоретически позволяет формировать самые массивные зародыши сверхмассивных черных дыр с массами до сотен тысяч масс Солнца. В другом сценарии к формированию черной дыры приводит эволюция плотного скопления звезд в ядре молодой галактики – такие скопления реально наблюдаются во многих галактиках, в том числе и в нашей. Подходящие для формирования черных дыр скопления звезд могут возникать в гало с массой около 100 млн масс Солнца уже на z = 15. Затем часть звезд скопления довольно быстро может образовать в его центральной части очень массивную звезду с массой более 1000 солнечных, а такой объект очень быстро должен сколлапсировать в черную дыру. Иногда, как показывают расчеты, масса такой черной дыры может достигать нескольких тысяч масс Солнца. В обоих сценариях можно получить достаточно массивные объекты, которые потом, активно аккрецируя газ и сливаясь с другими черными дырами, могут за несколько сотен миллионов лет превратиться в настоящих монстров.

Массы черных дыр растут в результате аккреции газа и слияний.

Итак, слияния черных дыр и аккреция на них газа могут позволить за время эволюции нарастить массу до пары десятков миллиардов масс Солнца – больше, чем у небольшой галактики. Неудивительно, что самые массивные черные дыры находятся в центрах массивных галактик, расположенных обычно в центрах крупнейших скоплений.