Черные дыры являются одной из главных загадок Вселенной с момента их теоретического предсказания. Хотя исследования последних десятилетий пролили некоторый свет на природу этих объектов, все же основные вопросы – происхождение и рост этих гигантов – во многом остаются без ответа. Вопросы, касающиеся черных дыр, относятся как к давним временам – как образовались первые огромные черные дыры? – так и к грядущим – какую роль они сыграют в судьбе галактик и всей Вселенной?

«Эта область знания – массивные черные дыры в галактиках – действительно была сильно развита за последние 12 лет и стала полем самых горячих дискуссий в астрономии», – говорит Марта Волонтери, сотрудница парижского Института астрофизики. Черные дыры – настолько тяжелые объекты, что их гравитационное поле не выпускает ничего, даже свет. Это может нарушаться только на микроскопических масштабах, черные дыры, теоретически, могут спонтанно испускать элементарные частицы, так называемое излучение Хокинга. Предположения о существовании подобных объектов начали появляться еще в 1783 году, а в 1916 году общая теория относительности уверенно предсказала их существование. Черные дыры, известные астрономам, разделяются на две категории. Это либо небольшие дыры, массы которых имеют порядок звездных масс или на один-два порядка больше, и массивные, с массами в миллиарды солнечных, превосходящие даже некоторые (не карликовые) галактики. Рождение малых дыр понятно – они являются результатом смерти массивной звезды, а вот процессы, приводящие к образованию сверхмассивных черных дыр пока толком не ясны.

Первые черные дыры

Одна из популярных теория образования сверхмассивных черных дыр связывает их с первым поколением звезд. «Однако, современное численное моделирование показывает, что эти звезды не могли быть более чем в дюжину раз тяжелее Солнца, – говорит Волонтери. – Этого слишком мало, чтобы затем с легкостью достичь массы хорошей сверхмассивной черной дыры».

Один из альтернативных сценариев предполагает рождение огромных черных дыр сразу из не менее огромных звезд, имеющие массы до миллиона солнечных. Такие звезды могут появляться при быстром – менее 2 миллионов лет – сгущении огромного количества газа. Еще одна теория предполагает рождение черных дыр в ядрах звездных скоплений, звезды которых постепенно приближаются к центру, сливаются и образуют звезды в сотни тысяч раз более тяжелые, чем Солнце. Затем эти звезды взрываются, оставляя после себя уже тяжелую дыру. Однако с этими теориями есть одна проблема. Недавно были найдены сверхмассивные черные дыры, существовавшие, когда Вселенной был всего миллиард лет от роду. Откуда в те времена могли взяться крупные звезды или их крупные скопления? И даже если они были, то как можно было набрать за такое короткое время несколько миллиардов солнечных масс? Ограничение на рост черной дыры накладывает так называемый предел Эддингтона. Начиная с какой-то массы дыры энергия, выделяемая в виде излучения при падении материи на дыру столь высока, что процесс роста дыры останавливается – новая материя сдувается раньше, чем достигает горизонта событий. Соответственно, чем больше дыра, тем медленнее она растет, начиная с какого-то момента. Если удастся обнаружить черную дыру с массой, превышающей этот предел, то существование огромных дыр в молодой Вселенной станет не таким удивительным.

Черные дыры и галактики

Еще одним важным вопросом касательно черных дыр является их роль в эволюции галактик и наоборот. Кто на кого оказывает большее влияние? Возможно, энергия, излучаемая черной дырой, кардинально меняет ход развития галактики, а может быть галактика определяет, сколько материи получает черная дыра. Скорее всего, процесс развития галактики и черной дыры – своего рода симбиоз. В течение ближайших лет наращивание мощи телескопов человечества поможет разобраться в этом вопросе.

Главная сложность при изучении развития черной дыры – огромные временные масштабы, на которых оно происходит. Возможно, небольшие черные дыры помогут провести аналогию и понять поведение их сверхмассивных собратьев, так как дыры массой в несколько солнечных эволюционируют на масштабах времени, доступных для изучения человеком. Кроме того, сотни миллионов таких черных дыр могут быть раскиданы по просторам нашей галактики.

Черные дыры звездной массы обычно являются частями двойных систем со звездой. Рентгеновские обсерватории позволили за последнее десятилетие много узнать о процессе перетекания материи звезды на дыру. Это позволяет предполагать, как аналогичный процесс происходит в случае крупной дыры. Такие двойные системы иногда могут испускать рентгеновские лучи в течение месяцев или даже лет. Предположительно, температура аккреционного диска около черной дыры возрастает по мере увеличения массы дыры, что в результате приводит к ионизации водорода в диске. Это, в свою очередь, увеличивает вязкость материала диска, и материя легче тормозится и падает на дыру. Такое увеличение притока материи на дыру и приводит к усилению излучения. Со временем поглощение материи замедляется из-за истощения аккреционного диска, он остывает и излучение понемногу спадает. Похожие процессы имеют место у огромных черных дыр с их потоками околосветовых частиц и вспышками излучения. Безусловно, эта титаническая активность оказывает огромное влияние на галактику, окружающую дыру.