Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Материя падает в черную дыру и нагревается. Кроме того, энергия вращения черной дыры ускоряет частицы, которые затем испускают излучение. Это чрезвычайно эффективный процесс. Если определять эффективность отношением выделенной энергии к энергии массы всех входящих ингредиентов, то эффективность аккреции черной дыры составит около 10 %. Для сравнения: у ядерного распада или синтеза этот показатель равен 1 %, а у химических процессов с выделением энергии – 10^–7%. Материя может высвободить 10 % своей массы-энергии просто в процессе падения!

Сколько нужно массы, чтобы превратить сверхмассивную черную дыру в квазар? Не слишком много. Чтобы черная дыра в 100 млн солнечных масс выделяла энергию уровня квазара, 10³⁹ Вт при эффективности в 10 %, она должна поглощать всего одну массу Солнца за год[193]. Вдумайтесь, проглатывая лишь одну звезду в год, черная дыра может сиять ярче целой галактики со всеми ее звездами! Говоря словами Джона Апдайка: «В одной незамеченной звезде хватит энергии для всех небес, когда-либо выдуманных сумасшедшими»[194]. Однако питать черную дыру сложно, поскольку излучение квазара вызывает давление, отталкивающее материю от центрального источника. Оно аналогично давлению излучения, разворачивающему хвост кометы в противоположную от Солнца сторону. Для аккреции материи гравитация, направленная внутрь сверхмассивной черной дыры, должна превышать направленное вовне давление излучения.

Астрономам потребовалось много времени, чтобы составить полную картину аккреции в активных галактиках. Дело в том, что физические процессы вблизи черных дыр приводят к выделению энергии в огромном диапазоне частот[195]. Например, эталонный квазар 3С 273 был зарегистрирован на частотах от 10⁸ Гц до 10²⁴ Гц – разброс длин волн в 10 000 трлн раз, от трехметровых радиоволн до гамма-излучения длиной в одну треть размера протона (илл. 36). Однако из всего этого разнообразия наземные обсерватории способны зарегистрировать лишь широкую полосу радиочастот и узкий сегмент от ближней инфракрасной до оптической области. Для остального нужны специальные спутники на орбите Земли.

Если смотреть на Вселенную лишь в одной части электромагнитного спектра, информация о ней будет неполной: возникает проблема «слона и слепцов». Чтобы всесторонне изучить энергию аккреции, нужно увидеть слона целиком. Оказалось, что радиоизлучение, впервые привлекшее внимание к активным галактикам в 1950-х гг., – это очень малая часть энергии квазара. Излучение исходит от релятивистских электронов возле черной дыры и в парных джетах – назовем его хвостом слона. Следующим по значимости компонентом является высокоэнергетическое рентгеновское излучение, источником которого также являются релятивистские электроны, – это хобот слона. Еще более важное – инфракрасное излучение холодной пыли (температурой 10–100 кельвинов) находящейся еще дальше от черной дыры. Пыль – слоновья нога. Основную роль в энергии квазара играет аккреционный диск, очень близкий к черной дыре. Он имеет температуру около 100 000 кельвинов и выделяет большую часть своей энергии в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах[196]. Это основная часть слона, его тело.

Радиоизлучение позволило вычислить активные галактики, различимые на обычно тихом радионебе. Однако за несколько лет астрономы поняли, что большинство активных галактик невидимо при радиопоиске, так как имеет слабое радиоизлучение. Оптический поиск обнаружил в десять раз больше этих объектов, чем радиоисследования. Затем в 1980-е гг. специалисты по рентгеновской астрономии занялись слабым рентгеновским сигналом, наблюдающимся по всему небу[197]. Они предположили, что это сумма многих дальних источников – слишком слабых, чтобы зарегистрировать их по отдельности, но когда они добавили в картину расчетное рентгеновское излучение имевшихся оптических образцов активных галактик, оно оказалось в десять раз слабее рентгеновского фона. Проблема окончательно не решена, но теперь ясно, что рентгеновский фон создают активные галактики, выпадающие из оптических исследований[198]. Пыль делает их невидимыми. Наличие пыли может радикально изменить распределение энергий активной галактики, преобразуя оптическое излучение в инфракрасное. Пыль не влияет на фотоны рентгеновских лучей, поэтому рентгеновские исследования дают самую четкую и полную картину популяции активных галактик.

Массивные черные дыры – не страшные