Черные дыры: начало и конец Вселенной

Черная дыра перед Большим Магеллановым Облаком в представлении художника. Обратите внимание на эффект гравитационного линзирования, который создает две увеличенных, но сильно искаженных области на картинке. В верхней части диск Млечного Пути выглядит искаженным в виде дуги. Иллюстрация: Alain R., wikipedia.org

Шум невидимой толпы

В школе на уроках физики одним из ярчайших откровений о привычном мире становится рассказ учителя о том, что все пространство вокруг пронизано электромагнитными волнами разной частоты от множества источников. И видимая часть излучения – лишь мизерный комочек в этой «каше», куда мы погружены всю нашу жизнь. Уже в более позднем возрасте из научпопа мы узнаем про нейтрино, которые тоже ежесекундно прошивают все вокруг, но остаются незамеченными. Одно из главных открытий в астрономии и физике в 2023 году чем-то похоже на эти две истории. Оно тоже заставляет иначе взглянуть на само пространство и время, в которое погружен каждый из нас.

Гравитационно-волновая наблюдательная астрономия – самая молодая отрасль этой науки. Она ведет отсчет от первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году. Эти теоретически предсказанные колебания возникают и распространяются по ткани пространства-времени, когда два очень массивных и в то же время компактных объекта (нейтронные звезды или черные дыры) быстро вращаются вокруг друг друга перед столкновением. За восемь лет работы детекторов гравитационных волн были достоверно открыты десятки таких случаев, в некоторых из них даже вычислены источники, породившие волны.

Открытие реликтового гравитационно-волнового фона, сделанное в 2023-м, можно считать второй ключевой вехой в этой области. Хотя все к этому открытию было подготовлено заранее. Первые идеи о том, как можно обнаружить гравитационные волны, не прибегая к строительству специальных детекторов, появились еще четыре десятилетия назад. Предлагалось использовать сигналы самых точных маяков Вселенной – пульсаров, точнее, их подвида – миллисекундных пульсаров, которые делают от сотни до 700 с лишним оборотов в секунду. Пульсары – это очень быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Идея довольно простая. Если учесть, что периодичность сигнала от миллисекундного пульсара исключительно точно повторяется, то даже по малейшим отклонениям в нем можно найти следы его «путешествий» по «складкам» гравитационных волн. Ведь те при распространении искажают пространство-время между земными наблюдателями и пульсаром. Первые результаты такой работы появились в 2020 году, а спустя три года об итогах исследования заговорили уверенно, добившись подтверждения результатов.

Над проектом работали сразу несколько крупных коллабораций сотен ученых со всего мира. Они вели параллельные исследования, используя наборы данных радиотелескопов, разбросанных по всей планете. Учитывались сигналы от десятков миллисекундных пульсаров, собранные в течение 15 лет. Необходимо было отсеять все возможные шумы, вызванные как прохождением сигнала через межзвездные газопылевые облака, так и искажения от собственного движения пульсаров, движения Солнца и Земли. «Очищенные» сигналы дали четкое понимание: мы живем в беспрестанно колеблющемся пространственно-временном континууме, который «дрожит» от постоянно проходящих через него гравитационных волн. Его можно сравнить с шумом толпы – невидимой толпы очень массивных объектов.

Но что за источник шума? Что создает паутину из гравитационных волн, окутывающую все вокруг? Ее главные творцы – черные дыры. Причем не объекты звездной массы, а сверхмассивные, которые тяжелее Солнца в 100 тысяч раз и более. На протяжении долгих эпох мириады пар таких сверхмассивных черных дыр кружили в безумном танце, сближаясь друг с другом и создавая те самые гравитационные волны. Такие волны слишком велики для регистрации существующими детекторами, которые способны распознать сигнал от слияния черных дыр звездной массы, то есть до ста раз тяжелее Солнца.

Гравитационные волны. Фото: R. Hurt/Caltech-JPL, jpl.nasa.gov

Само по себе открытие гравитационно-волнового фона стало ожидаемым, но промежуточным достижением. Теперь нужно в этом многоголосье попытаться выявить отдельные волны, определить их источники, узнать эпоху, когда они были испущены. И самый интересный вопрос: как сверхмассивным черным дырам удается решить проблему «последнего парсека»? Так называют парадокс, который показывает, что подобные объекты должны приостановить свое сближение, когда расстояние между ними сократится примерно до одного парсека, а дальнейшее слияние займет миллиарды лет и будет идти дольше, чем нынешний возраст Вселенной.

Ломая космологию

При всех загадках и неопределенностях в эволюции Вселенной у человечества есть более-менее стройная теория о том, как все развивалось после Большого взрыва, произошедшего примерно 13,8 миллиарда лет назад. Разумеется, эти предположения требуют уточнения, проверок и дополнительных исследований. И в эту картину мира вероломно врываются черные дыры. Если есть нечто, способное потянуть ниточку, которая «распустит» ткань современной космологии, то это как раз наблюдения за черными дырами в ранней Вселенной.

Исследования, проведенные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», позволили обнаружить самые далекие активные сверхмассивные черные дыры. В самом недавнем наборе данных есть один крайне примечательный объект. Сверхмассивную черную дыру CEERS 1019 мы видим такой, какой она была через 570 миллионов лет после Большого взрыва. При этом ее масса около 9–10 миллионов солнечных. По меркам космических гигантов это не самый крупный объект, хотя и более чем в два раза массивнее сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в центре нашей галактики Млечный Путь.

Главное зеркало телескопа «Джеймс Уэбб», собранное в Центре космических полетов им. Годдарда, 28 октября 2016 года. Фото: NASA Goddard Space Flight Center / Chris Gunn, flickr.com

В другом исследовании по данным «Уэбба» были изучены два квазара, возникшие в первый миллиард лет жизни Вселенной. Квазары HSC J2236+0032 и HSC J2255+0251 мы наблюдаем в таком виде, в котором они находились примерно через 860 миллионов лет после Большого взрыва. Прожорливые черные дыры, которые и запускают механизм ослепительного сияния квазаров во всех частях электромагнитного диапазона, имеют массу 1,4 миллиарда и 200 миллионов солнечных соответственно. А масса галактик-хозяев составляет 130 и 30 миллиардов солнечных.

Примечательно в этом наблюдении то, что современная космологическая модель не может объяснить появление на столь ранней стадии эволюции Вселенной таких монстров. Ведь черная дыра должна не просто образоваться при коллапсе массивной звезды массой в несколько Солнц: ей надо откуда-то еще и набрать до полутора миллиардов (!) масс Солнца после образования. А у черных дыр есть лимит скорости поглощения материи: чтобы делать это быстро, им надо притягивать к себе очень много материи в единицу времени. Но слишком большая плотность материи вокруг них будет разогревать ее до огромных температур.

Собственно, именно так и получаются квазары: «быстрое питание» нагревает окрестности огромных черных дыр так, что те начинают ярко светиться, настолько ярко, что квазар легко видно в телескопы за многие миллиарды световых лет. Но даже квазар не может набрать ни миллион, ни миллиард солнечных масс меньше чем за миллиард лет. Что же за объекты открывают наши телескопы? Как они появились?

И таких чудовищных «исключений из правил», разрушающих теорию формирования галактик и черных дыр, буквально с каждой неделей открывают все больше. По сути, уже накопилась критическая масса ранних галактик и сверхмассивных черных дыр, при которой надо искать принципиально новые описания механизмов эволюции Вселенной. Прежняя картина мира теперь просто не работает.

В то же время исследование далеких квазаров HSC J2236+0032 и HSC J2255+0251 позволило подтвердить другую гипотезу, связанную со сверхмассивными черными дырами и галактиками, в сердцах которых они обитают. Учеными в современной Вселенной была обнаружена прямая связь между массами центральных черных дыр и их галактик. HSC J2236+0032 и HSC J2255+0251 показали, что и в ранней Вселенной степень корреляции этих показателей такая же.

С одной стороны, подобное открытие обнадеживает земных ученых, показывая, что они нащупали какую-то работающую универсальную закономерность. С другой стороны, появляются дополнительные вопросы. Ведь предполагается, что процессы звездообразования, поглощения материи черными дырами, роста галактик в современной и ранней Вселенной существенно отличаются, например, по скорости. А сохранение упомянутой связи будто нивелирует эти различия.

В представлении художника: галактика, массово формирующая звезды из потоков вещества, истекающих из окрестностей сверхмассивной черной дыры в ее ядре. Сама картинка соответствует наблюдениям очень большого телескопа ESO. Фото: ESO / M. Kornmesser, eso.org

В то же время подтверждается ключевая роль сверхмассивных черных дыр в регулировании процессов звездообразования. На эту тему проводилось немало исследований, которые показывали способность этих гигантов как запускать процессы звездообразования, так и гасить их. Все благодаря интенсивному поглощению материи. Если оно достаточно активное, а черная дыра оказывается «прожорливой», то идущий в стороны от нее «галактический ветер» (от разлетающегося в стороны нагретого вещества) буквально взбалтывает холодный молекулярный газ, который является основой для звездообразования. Он выдувается из центра галактики, и процедура звездообразования не запускается. Вся галактика словно стерилизуется.

С другой стороны, при определенной интенсивности аккреции или на определенном расстоянии от активной черной дыры создаются волны уплотнения в газопылевых облаках, и по их фронту могут возникать сгустки, становящиеся звездными «питомниками», где массово образуются новые светила.

Правда, пока современные астрономы не могут написать в «инструкции по применению» той или иной галактики, с какой интенсивностью нужно «запускать» аккрецию материи черной дырой. Слишком много факторов влияют на то, в каком направлении пойдет процесс звездообразования. Но роль черной дыры как спускового крючка этого процесса – неоспорима.

Темные дела черных дыр

С учетом загадочности черных дыр они «находят применение» в самом широком спектре теорий, связанных с функционированием Вселенной. В том числе при разговоре о таких понятиях, как темная материя и темная энергия. Происхождение и сущность одной и другой составляют важнейшую из тайн космологии. Влиянием темной энергии объясняют ускоряющееся расширение Вселенной. Казалось бы, при чем тут черные дыры? Недавнее исследование международной группы ученых во главе с астрономами Гавайского университета показывает, что они могут быть ключом к природе темной энергии.

К слову, идея эта не нова. Опосредованно она затрагивается в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Но впервые появилось конкретное наблюдательское исследование по этой теме. Известно, что черные дыры могут наращивать массу двумя способами: за счет аккреции обычных газа и пыли и благодаря слиянию друг с другом. Но авторы исследования изучили в пределах девяти миллиардов световых лет эволюцию черных дыр в гигантских эллиптических галактиках, где царит относительное спокойствие, и обнаружили любопытную особенность. Более старые черные дыры намного массивнее, чем они должны быть, если бы росли только с помощью двух упомянутых выше механизмов.

Размеры черных дыр в галактике OJ 287 относительно Солнечной системы. Две сверхмассивные черные дыры медленно сближаются по спирали в ядре далекой галактики OJ 287. Более крупная из них, масса которой примерно в 18 миллиардов раз больше массы нашего Солнца (слева), с запасом охватывала бы все планеты Солнечной системы, находись она здесь. Меньшая дыра – примерно в 150 миллионов раз массивнее нашего Солнца (справа), была бы достаточно велика, чтобы поглотить все до пояса астероидов, расположенного внутри орбиты Юпитера. Фото: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC) spitzer.caltech.edu

Это означает, что должен быть другой способ, который дал этим черным дырам дополнительную массу. Исследователи предполагают, что эту массу им дает темная энергия в форме своеобразной энергии вакуума, включенной в само пространство-время. Станет ли эта гипотеза действительным первым подтверждением реального астрофизического источника темной энергии, покажут будущие исследования. Но идея интригует. Как и все, что связано с черными дырами.

Узкое место идеи, пожалуй, только в одном. Энергия вакуума – понятие из квантовой механики – должна как-то превращаться в массу черных дыр, а никакого правдоподобного механизма такого превращения пока никто не предложил. Его появление было бы крупной революцией в теоретической физике – невиданной уже много десятков лет.

Без новых сущностей

Есть и более экономичный подход, объясняющий и необычайно быстрый рост черных дыр в ранней Вселенной, и необычайно раннее формирование галактик в ту же эпоху. Это теория Николая Горькавого, российского физика, живущего и работающего в США. Он почти 20 лет назад начал рассматривать последствия существования гравитационных волн для космологии и пришел к серии весьма неожиданных выводов.

Дело в том, что гравитационные волны (помните, выше мы говорили, что они образуются при слиянии черных дыр и нейтронных звезд), как отмечал еще Эйнштейн, не имеют собственной массы. При этом, излучая их, сливающиеся ЧД и нейтронные звезды часть своей массы теряют. В 2016 году наблюдения LIGO показали конкретную величину этих потерь – около 5 % массы сливающихся объектов.

Пять процентов кажутся очень малой величиной. Но только кажутся: если, например, мы вдруг уберем у Солнца 5 % его массы, то множество вращающихся вокруг него объектов начнут резко от него отдаляться, и вся Солнечная система изменится до неузнаваемости (Земля, допустим, навсегда оледенеет).

Черные дыры при слиянии преобразуют 5 % своей массы в энергию гравиволн, и те продолжают путешествовать по Вселенной. Но черных дыр сливается очень много – LIGO регистрирует десятки таких событий в год, и это при том, что ее чувствительность позволяет обнаруживать лишь близкие события. Общее количество таких событий для Вселенной настолько велико, что она уже потеряла заметную часть своей массы именно этим образом.

Николай Горькавый был первым, кто смог показать важную деталь: гравитационные волны могут улавливаться черными дырами. Притом тем эффективнее, чем эти черные дыры больше. После поглощения гравиволны ее энергия снова превращается в массу – только уже не ее исходной ЧД, а той ЧД, что «перехватила» эту волну. Соответственно, парадокс слишком быстрого роста сверхмассивных черных дыр логичным образом разрешается.

Николай Горькавый, astrovityanka.ru

Из теории Горькавого – наиболее полное ее изложение есть в книге «Осциллирующая Вселенная», которая вышла в 2023 году, – вытекает и ряд других важных последствий. Исходя из частоты регистрации слияния черных дыр, отмечаемых LIGO, физик констатирует: черных дыр во Вселенной очень много. Большинство из них невелики, в десятки раз массивнее Солнца и поэтому не могут нагреть газ и пыль вокруг себя за счет трения их частиц друг о друга. Такие ЧД просто недостаточно массивны, чтобы устраивать в космосе газопылевые светящиеся «воронки», как у сверхмассивных ЧД.

Зато их очень много, и они склонны формировать шаровые скопления. Такие скопления для телескопов (кроме гравитационных – LIGO) практически невидимы, но, по расчетам, основанным на частоте слияний, должны содержать в себе основную часть массы Вселенной. Иными словами, темная материя, которую так долго искали астрономы, – это и есть такие шаровые скопления черных дыр средних масс.

Конечно, возникает вопрос о том, откуда во Вселенной могло взяться столько ЧД, как выходит из данных LIGO? Это хороший вопрос, потому что в ЧД превращаются далеко не все звезды.

На протяжении ряда лет Горькавый и его соавторы вели расчеты, нацеленные на решение этого вопроса. В 2016 году в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society была опубликована работа, затрагивающая этот вопрос. Затем и серия других работ, общий итог которых был следующим: в рамках теории относительности одна из сверхмассивных черных дыр должна так быстро наращивать массу за счет захвата гравиволн, что рано или поздно она поглотит всю Вселенную – включая нас.

Впрочем, не надо паники: падение в крупную ЧД безопасно для любых объектов, поскольку приливные силы при падении могут разорвать вас, только если черная дыра мала по размерам (большие градиенты). С точки зрения землян падение в черную дыру будет заметно только по косвенным признакам: сначала звезды с одной из сторон «пропадут», а потом вдруг появятся снова – вот в этот самый момент мы и провалимся в самую большую черную дыру Вселенной.

Дальнейшие расчеты показали, что после такого падения все, что упало в большую ЧД, – включая ЧД меньших размеров, – внутри «мегадыры» продолжит эволюционировать. Мы не будем пересказывать всю книгу, но отметим ключевое. Из нее вытекает: наша Вселенная является не «одноразовой», а циклической. Циклы расширения после разрастания одной самой большой ЧД сменяются циклами сжатия Вселенной. В конце каждого сжатия дистанции между черными дырами становятся такими небольшими, что они быстро сливаются, «выдергивая» из Вселенной основную часть массы и превращая ее в гравиволны. Те самые, о регистрации которых мы говорили в начале текста (волны такой длины обнаружил NanoGRAV).

Потеря такой основной части массы ведет к сверхбыстрому разлету Вселенной во все стороны – новому Большому взрыву. В рамках такой теории Большой взрыв происходит регулярно, но значительная часть черных дыр из прошлых циклов развития Вселенной могут его пережить.

Вот оттуда-то и появляются «семена» для черных дыр слишком большой массы, которые мы видим уже в ранней Вселенной. Вокруг этих «слишком ранних» сверхмассивных черных дыр быстро образуются и галактики – гравитация большой ЧД служит «якорем» для газа и пыли, из которых потом образуются звезды.

Все остальные объекты кроме черных дыр и части нейтронных звезд (и те, и те очень сложно уничтожаются) не могут остаться целыми в условиях Большого взрыва – их разрушает до субатомных частиц. Поэтому искать обычные (не нейтронные) звезды из «прошлого цикла Вселенной» бесполезно. А вот гравиволны найти можно – и, собственно, их уже и нашли.

Ключ ко всему?

Из изложенного выше очевидно: во всем многообразии моделей Вселенной черные дыры имеют важнейшее значение. И это довольно неожиданно.

Черные дыры, которые сами совсем недавно по меркам человеческой истории были чем-то из области глубокой теории, в современной науке постепенно становятся ключом к дверям, открывающим тайну функционирования Вселенной. Технический прогресс в области гравитационно-волновой и наблюдательной астрономии, астрофизики дает возможность сделать этих монстров более понятными, не приближаясь к ним. Возможно, когда-нибудь мы сами убедимся, что на гигантах, вроде бы созданных только для уничтожения, держится весь жизненный цикл Вселенной.