Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Существует много типов активных ядер галактик, имеющих разные наблюдательные проявления: радиогалактики, квазары, блазары, лайнеры, сейфертовские галактики и др. Значительную долю источников удается объяснить в рамках «единой модели», в которой разные проявления активности объясняются разной ориентацией системы активного ядра относительно наблюдателя. Аккрецирующая черная дыра окружена диском (кажется невероятным, но современные методы позволяют изучать структуру дисков вокруг далеких сверхмассивных черных дыр), а также газопылевым тором. Из внутренней части этой системы перпендикулярно плоскости диска может бить струя (джет), вещество в которой движется с околосветовой скоростью, причем протяженность некоторых струй достигает миллиона световых лет! Если мы смотрим вдоль струи, то видим очень активное и быстропеременное ядро – блазар. Если же мы смотрим с ребра, то сам центральный источник закрыт от нас тором, но мы можем видеть активность, связанную с внешними частями струи (разумеется, возможен и ряд промежуточных случаев).

Мы наблюдаем активные ядра галактик во всех диапазонах спектра.

Мы наблюдаем активность черной дыры, пока существует достаточно мощный приток газа. Однако иногда происходят спорадические вспышки, связанные с приливным разрушением отдельных звезд: если звезда пролетает слишком близко от черной дыры, то мощные приливные силы могут разорвать ее, превратив в плотное облако газа. Такое облако создаст на какое-то время аналог диска вокруг черной дыры – возникает яркий источник. Такие источники стали открывать в 1990-е гг., когда благодаря работе спутника ROSAT (ROentgen SATellite, Рентгеновский спутник) появилась возможность постоянного мониторинга большого числа объектов в рентгеновском диапазоне. Источники, связанные с приливным разрывом звезд, удается надежно идентифицировать не только по их положению в центрах галактик, но и по характерной спадающей кривой блеска.

Активность центральной черной дыры может быть стимулирована слиянием галактик – в этом случае мощные потоки газа могут направиться в центральную область, питая активное ядро. Однако важно помнить, что если сливаются две крупные галактики, то в центре каждой из них должна быть сверхмассивная черная дыра, и со временем обе черные дыры окажутся в центре объединенной галактики, образовав тесную пару (такие объекты наблюдаются). Затем под действием гравитационного излучения и взаимодействия с объектами в центральной части галактики дыры будут постепенно сближаться, пока не сольются, породив мощный всплеск гравитационного излучения. Косвенно такие всплески, вероятнее всего, можно будет зарегистрировать по высокоточным наблюдениям коррелированных сбоев периодов миллисекундных пульсаров или по астрометрическим наблюдениям в рамках проекта Gaia, а в будущем непосредственная регистрация станет возможной благодаря созданию космической гравитационно-волновой антенны eLISA.

В результате слияний галактик происходят слияния сверхмассивных черных дыр.

После слияния получившаяся черная дыра может получить значительную скорость – до сотен километров в секунду. Это может позволить ей вылететь из центра небольшой галактики или же существенно сместиться из самого центра крупной (последнее, возможно, наблюдается в нескольких галактиках). Вылет должен приводить к существованию заметного количества тяжелых черных дыр в гало галактик и в межгалактическом пространстве. Такие объекты могли выбрасываться на ранних стадиях формирования галактик, когда масса их гало была не слишком большой и сами черные дыры еще не успели набрать очень большую массу.

Сверхмассивные черные дыры успевают возникнуть в течение первого миллиарда лет жизни Вселенной.

Существует несколько вариантов появления сверхмассивных черных дыр, и, по всей видимости, все они могут реализовываться в природе. Самый консервативный механизм связан с самыми первыми звездами, которые могли быть весьма массивными и в конце своей короткой жизни порождали черные дыры с массами около 100–200 масс Солнца. В процессе иерархического скучивания эти черные дыры (чьи массы могли немного увеличиться за счет аккреции) попадали в центры формирующихся структур, где за счет слияний и дальнейшей аккреции постепенно увеличивали свою массу. За многие миллиарды лет они могли вырасти до массы в миллиарды масс Солнца.