Чёрная дыра по соседству?
Исследуя орбиты и расположение гиперскоростных звёзд, движущихся со скоростями порядка 1000 км/с через нашу Галактику, астрономы пришли к выводу, что значительную часть из них могла создать только сверхмассивная чёрная дыра массой около 600 000 солнечных, расположенная в карликовой галактике Большое Магелланово Облако, спутнике Млечного Пути. Если вывод верен, значит, совсем рядом с нами, на расстоянии «всего» 163 000 световых лет, существует ещё одна сверхмассивная чёрная дыра, помимо находящейся в центре Млечного Пути.
На острие исследований
Сверхмассивные чёрные дыры массой свыше 100 000 солнечных — очень интересные объекты с точки зрения как физики, так и их роли в эволюции Вселенной. Судя по всему, именно благодаря их чудовищной гравитации, стягивающей к ним окружающее вещество, «работают» активные галактики, излучающие в пространство огромное количество энергии, в частности, к ним относятся ярчайшие объекты во Вселенной — квазары. Открытый в феврале 2024 года самый яркий из них — QSO J0529—4351 светит как 500 триллионов Солнц, а чёрная дыра в его центре имеет массу приблизительно в 17 миллиардов солнечных масс. Справедливости ради заметим, что как звезда 16-й звёздной величины он был известен с 1980 года, а в 2024 году с помощью Очень Большого Телескопа Европейской южной обсерватории лишь сумели распознать в ней квазар, расположенный на расстоянии 12 миллиардов световых лет. А так называемые первичные чёрные дыры (о них ниже) могут помочь решить некоторые проблемы космологии.
В отдельных случаях сверхмассивные чёрные дыры порождают такие грандиозные явления, как вырывающиеся наружу релятивистские струи вещества (джеты) и выбросы. Самые длинные джеты астрономы обнаружили в 2024 году у галактики Порфирион, их протяжённость составила около 23 миллионов световых лет. Для сравнения: расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды составляет примерно 2,5 миллиона световых лет. А открытый в 2020 году выброс в гигантской галактике NeVe 1, доминирующей в сверхскоплении Змееносца, произошёл из-за поглощения чёрной дырой вещества, эквивалентного 270 миллионам Солнц, возможно, из поглощённой карликовой галактики. Это создало ударные волны и релятивистские струи высокоэнергетических частиц, которые вытеснили внутрикластерную среду, образовав полость диаметром не менее 1,5 миллиона световых лет.
В настоящее время астрономы полагают, что в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая влияет на процесс её формирования и эволюции. Так, с одной стороны, в окрестности сверхмассивной чёрной дыры может активно идти процесс звездообразования, но, с другой стороны, выброс ею вещества из галактики способен затормозить, а то и остановить этот процесс, лишив его подпитки.
Общепринятой теории образования сверхмассивных чёрных дыр пока нет, однако астрофизики выдвинули несколько гипотез. Сверхмассивные чёрные дыры не являются этапом эволюции звёзд. Они могут формироваться в результате гравитационного коллапса — сжатия больших газовых облаков или плотных звёздных кластеров, а также они могут расти за счёт постепенного падения — аккреции вещества на чёрную дыру, оставшуюся от звезды, и слияния с другими чёрными дырами.
В 1966 году отечественные физики Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков выдвинули гипотезу о возможности образования чёрных дыр из флуктуаций сверхплотной материи вскоре после Большого взрыва. Эти чёрные дыры получили название первичных, поскольку формировались раньше первых звёзд. Первое углублённое их исследование провёл Стивен Хокинг в 1971 году. Предполагается, что первичные чёрные дыры состоят из тёмной материи и, в зависимости от модели, могут иметь начальные массы до более чем несколько тысяч солнечных масс. Так что они — хорошие кандидаты на роль зародышей сверхмассивных чёрных дыр в центре формирующихся вокруг них галактик.
Интерес к этому вопросу особенно повысился после неожиданных открытий космическим телескопом «Джеймс Уэбб»* (JWST, NASA), начиная с 2022 года, очень больших ранних галактик. Сначала были даны предварительные оценки, а с 2024 года появились надёжные результаты. Так, в мае 2024 года JWST с помощью спектрального анализа определил** возраст галактики JADES-GS-z14-0 всего в 290 миллионов лет после Большого взрыва. Получается, что она — самый далёкий обнаруженный на данный момент астрономический объект. Размер галактики получился около 1600 световых лет, а масса — в несколько сотен миллионов раз больше массы Солнца, что слишком много для столь раннего периода и противоречит современным представлениям об эволюции Вселенной. Поэтому сразу же появилась идея объяснить появление больших галактик так рано с помощью первичных чёрных дыр. Ведь они могли образоваться менее чем через секунду после Большого взрыва и сильно ускорить формирование галактик.
*Понятов А. «Уэбб». Наследник великих космических обсерваторий. «Наука и жизнь» № 2, 2022 г.
** Понятов А. Десять значимых событий 2024 года в физике и астрономии. «Наука и жизнь» № 1, 2025 г.
Может сложиться впечатление, что сверхмассивные чёрные дыры — прерогатива исключительно больших галактик, но это совершенно не так. В 2011 году активную сверхмассивную чёрную дыру массой 3⋅106 M☉ американские астрономы нашли в карликовой галактике Henize 2—10 в 34 миллионах световых лет от Солнца. Масса же всей галактики около 1⋅1010 M☉ , что примерно в 100 раз меньше нашего Млечного Пути. К 2019 году исследователи нашли ещё около 100 активных массивных чёрных дыр в небольших галактиках и 39 кандидатов в менее активные массивные чёрные дыры в 111 карликовых галактиках. Любопытно, что часть из них находится не в центрах галактик, а на окраинах. Более того, компьютерное моделирование показало, что до половины карликовых галактик могут иметь нецентральные чёрные дыры. Однако относительно небольшие неактивные сверхмассивные чёрные дыры крайне сложно обнаружить. Далее мы с этим столкнёмся на примере Большого Магелланова Облака (БМО).
Своеобразный рекордсмен по чёрным дырам — чрезвычайно маленькая, плотная, сверхкомпактная карликовая галактика M60-UCD1, половина звёздной массы которой находится в центральной сфере диаметром 160 световых лет. (Напомним, что диаметр Млечного Пути 100 000 световых лет.) В 2014 году американские астрономы обнаружили в её центре чёрную дыру величиной 21 миллион солнечных масс, что составляет почти 15% от общей массы галактики, оцениваемой в 140 миллионов M☉. Это удивительно, поскольку она в пять раз массивнее чёрной дыры в Млечном Пути, в то время как наша Галактика более чем в 1000 раз массивнее, а её чёрная дыра составляет лишь менее 0,001 процента от общей массы.