Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Джон был энергичным новичком, а я – убеленным сединами ветераном, но на деле мы часто менялись ролями. Со временем я не утратил интереса к исследованиям и иногда, поторопившись со сбором данных, допускал серьезные промахи, а Джон обуздывал мои порывы и брал управление телескопом в свои твердые руки. Однажды посреди ночи мы уперлись в облака. Я пытался проявлять терпение. Фотоны проделали путь в миллиарды лет, чтобы попасть в большую линзу нашего телескопа, и несколько лишних часов ничего не решали. Я вышел на улицу и стал смотреть, как расчищается небо. К западу вплоть до Тихого океана громоздились облака. На востоке контур Анд четко вырисовывался на фоне звездного поля. Над головой кондор беззвучно описывал круги.

Мы провели последнюю ночь у телескопа, опустошенные и печальные. На закате нам довелось увидеть зеленый луч. Раз в год получить неделю работы за большим телескопом – большая удача для астронома. Если в эти ночи облачно, придется вернуться в следующем году. Еще один сеанс – и мы с ним расстанемся.

Мы изображали полученные данные точками на диаграммах и ломали головы. У некоторых квазаров были мощные черные дыры, но слабенькое излучение. Другие при крошечных черных дырах ослепительно сияли. Механизм их питания оставался загадкой. За неделю мы насобирали 500 черных дыр, но это была жалкая горстка для Вселенной с сотнями миллиардов галактик, каждая из которых скрывает в себе черную дыру. Казалось, черные дыры беззвучно смеются над нами, тщательно оберегая свои секреты.

Как мы уже узнали, для постоянной яркости уровня квазара достаточно аккреции нескольких солнечных масс в год. Столь скромное потребление предполагает два вывода. Первое: в центральных областях галактик немного газа, и черные дыры редко заглатывают звезды целиком, поэтому топливо истощается менее чем за 100 млн лет. Газ просачивается в галактику из межгалактического пространства, а также добавляется при слиянии галактик, но сейчас, когда Вселенная велика и галактики далеко разнесены, оба процесса неэффективны. Поскольку «топливо» черной дыры расходуется намного быстрее, чем время, необходимое для расцвета и упадка наблюдаемой популяции квазаров, отдельные квазары должны быть «включены» малую часть времени и «выключены» большую часть времени.

Второе: скромные темпы роста черных дыр означают, что они не должны слишком быстро дорастать до огромных размеров. Однако они дорастают! Слоуновский цифровой небесный обзор ищет квазары в пределах первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва. Старейший квазар, обнаруженный на данный момент, – яркий квазар с красным смещением z = 7,5. Из этого следует, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс сформировались и выросли в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва[243]. Это не соответствует медленному, постепенному развитию больших галактик из маленьких путем слияний. Не согласуется это и с пределом роста черной дыры, который 100 лет назад вывел Артур Эддингтон. Невозможно от «семечка» в 10 солнечных масс, что типично для черной дыры, остающейся после смерти массивной звезды, дорасти за миллиард лет до миллиарда солнечных масс. Чтобы возникли древние яркие квазары, нужно было «семечко» в 10 000 масс Солнца.

Недавние расчеты предложили такое объяснение. В первой волне формирования галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва фоновое излучение поначалу препятствовало образованию звезд. Если они все-таки возникали, это был стремительный бурный процесс, оставивший после себя множество маленьких черных дыр, которые в условиях высокой плотности среды сливались в «семена» черных дыр – от 10⁴ до 10⁶ солнечных масс[244]. Вследствие стремительного скачка черные дыры смогли дорасти за следующие полмиллиарда лет до сверхмассивного уровня (миллиард или больше солнечных масс).

Гипотеза обратной связи увязывает наблюдения воедино. Черная дыра имеет симбиотические отношения с родительской галактикой. Она не может вырасти или зажечься, как квазар, не получая газ из центральных областей галактики. Однако когда она активна, то выделяет так много энергии, что выталкивает газ из центральных областей галактики и подавляет формирование звезд. В активной фазе, продолжительностью 10 млн лет, квазар излучает 10⁵³ Дж энергии. Это примерно равно гравитационной энергии, удерживающей звезды на орбитах в большой галактике. Очевидно, энергии квазара хватит, чтобы разрушить галактику. За счет обратной связи квазары отталкивают газ и глушат собственную активность. Обратная связь сводит в единое целое эволюцию внутренней области галактики и черной дыры в ее центре, и это объясняет замеченную астрономами корреляцию между массой черной дыры и массой звезд с гораздо большими масштабами распределения[245].