Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Моделирование «Миллениума» было завершено в 2005 г.[239] 10 млрд частиц изображали куб пространства Вселенной со стороной 2 млрд световых лет. (Для хранения результатов потребовалось 25 терабайт.) Это не вся Вселенная, но достаточно большой фрагмент, который служит «достоверным образцом» и охватывает самые крупные структуры, потенциально формируемые гравитацией за 14 млрд лет. На основе этого моделирования были опубликованы сотни научных статей. Наивысшим достижением на сегодняшний день является модель «Иллюстрис»[240]. Согласно закону Мура, описывающему увеличение вычислительной мощности вследствие уменьшения размера транзисторов, размер лучшей модели удваивается каждые 20 месяцев. К концу 2017 г. модели преодолели барьер в триллион частиц. Благодаря «Иллюстрис» впервые стало возможно реалистичное моделирование существенной части Вселенной вплоть до уровня детализации, позволяющего различить структуру галактики. Теперь компьютер может проследить, как питаются и растут миллионы сверхмассивных черных дыр на протяжении 13 млрд лет.

Как многие теоретики в астрономии, Саймон Уайт изначально получил математическое образование. Он вспоминает, как рассматривал перспективы обучения в магистратуре: «В Кембридже у меня было два варианта. Можно было заняться теоретической механикой жидкостей и газов, аэродинамикой и тому подобным. Эти студенты сидели в здании в центре Кембриджа, в подвальных кабинетах без окон. Другим вариантом была астрофизика. Центр астрофизики находится за пределами города, в здании со множеством окон. Еще там есть деревья, коровы пасутся через дорогу. Я решил, что астрофизика выглядит немного привлекательнее»[241].

Как растут черные дыры и галактики

Судьбы черных дыр и галактик переплетены. Сверхмассивная черная дыра занимает крохотную долю объема галактики и имеет крохотную долю ее массы. Тем не менее, как мы узнали, каждая галактика содержит черную дыру, масса которой тесно связана с массой всех ее звезд. Исходя из этого, что мы можем сказать о совместном росте черных дыр и галактик с течением космического времени?

Славные дни квазаров далеко в прошлом. Мы обнаруживаем сверхмассивные черные дыры, прячущиеся в ближних галактиках, но они по большей части спокойные, как и черная дыра в нашей Галактике. Одна из 100 умеренно активна и одна из миллиона является квазаром. Исследования в оптическом и рентгеновском диапазонах позволяют ретроспективно проследить яркость квазаров. Пик активности квазаров имел место при красном смещении z = 2 ? 3, то есть около 11 млрд лет назад, через 2–3 млрд лет после Большого взрыва. Они были в тысячи раз активнее, чем сейчас. Древнее ночное небо существенно отличалось от нашего. Вселенная была в четыре раза меньше, в ней сливались галактики, где быстро формировались звезды. Сотни галактик были бы видны невооруженным глазом, тогда как сейчас мы можем увидеть лишь три[242], а ближайший квазар находился в 100 раз ближе и был бы виден невооруженным глазом. Благодаря наблюдениям мы можем проследить историю резкого роста активности квазаров, за которым последовал медленный спад.

Все большие галактики имеют сверхмассивные черные дыры, но из этого не следует, что все они проявляют активность квазаров. Откуда нам известно, что активность квазаров эпизодична и не является неотъемлемым свойством определенной группы галактик? Трудно ответить на этот вопрос, потому что астрономы не могут заглянуть в конкретные галактики и отследить их эволюцию. Они проводят исследования, охватывающие большое число галактик всех эпох, и на основе полученных данных составляют «моментальный снимок» активности определенной эпохи.

В последнее десятилетие я занимался исследованиями именно в этой области. Моя цель – понять процессы роста и взаимосвязи черных дыр и галактик. Мне нравятся астрономические исследования – они существенно отличаются от исследований в физике, для которых требуются тысячи сотрудников и инструменты, постройка которых занимает десятилетие. Я все еще могу, вооружившись хорошей идеей и взяв в помощь магистранта, засесть на несколько ночей перед телескопом и этим внести вклад в развитие науки.

Именно поэтому мы с Джонатаном Трампом оказались в предгорьях Анд: смотрели, как темнеет небо над горной цепью, и подготавливали лист наблюдений. Нас интересовал волшебный период роста черных дыр – от 3 до 10 млрд лет после Большого взрыва, когда галактики по большей части завершили слияния, а черные дыры подъели почти все, что смогли. В частности, мы пытались установить нижнюю границу активности ядер галактик. При каком минимальном уровне аккреции черная дыра может светиться как квазар? Мы сумели найти черные дыры в 10 млрд световых лет – спящие, как и черная дыра в центре нашей Галактики. В нашем распоряжении была новая технология – фотопластинкам, которыми я пользовался в Австралии 30 годами раньше, пришел конец. Одна ночь везения – и мы могли не только обнаружить 300 квазаров, но и измерить массы их черных дыр.