Американские астрофизики, возглавляемые профессором Гавайского университета Эзекилем Трейстером, разрешили одну из важнейших астрономических проблем, доказав, что черные дыры существовали уже в молодых галактиках, и выяснив, какую они выполняли функцию.
Черные дыры рождались в нашей Вселенной с самого ее начала и продолжают делать это по сей день. Однако пик их появления пришелся на космическую эпоху, отмеченную возникновением первых звезд. Она началась через несколько десятков (максимум, через сотню) миллионов лет после Большого взрыва и растянулась примерно на миллиард лет.
Звезды первого поколения отличались огромной массой, очень высокой температурой и исключительной яркостью. Самые легкие из них тянули на многие десятки масс Солнца, самые тяжелые — как минимум, на пять сотен. Из-за этого они быстро сжигали свое термоядерное топливо и погибали в среднем через два-три миллиона лет после рождения. Звезды, которые появлялись на свет с массой в 140-260 солнечных, исчезали в сверхмощных термоядерных взрывах. Светила большей и меньшей массы заканчивали жизнь по другим сценариям и оставляли после себя черные дыры.
Наблюдать первые звезды пока невозможно. Однако многие из них в момент гибели породили мощные вспышки гамма-излучения, которые космические обсерватории замечают. Так, весной 2009 года американская орбитальная станция Swift отловила вспышку, испущенную на 530-миллионном году жизни Вселенной. Кроме того, эти звезды входили в состав древнейших галактик, самые крупные из которых различимы в оптические телескопы. В январе этого года команда астрономов, работающих с данными космического телескопа имени Хаббла, сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей дошедший до Земли свет был испущен через 480 миллионов лет после Большого взрыва. В апреле другая группа астрономов обнаружила галактику, которая, скорее всего, сформировалась, когда возраст Вселенной не превышал 200 миллионов лет.
В общем, во Вселенной к концу первого миллиарда лет ее существования было множество галактик, звезд и черных дыр. По всей вероятности, дыры чаще всего возникали в результате гибели звезд, из-за чего их массы были такого же порядка — десятки или сотни масс Солнца. Модели звездной эволюции очень хорошо проработаны, так что этот механизм считается вполне подтвержденным.
Другие гипотезы пока обоснованы хуже. Согласно ряду моделей, предшественниками некоторых черных дыр были плотные сгущения космического газа, которые существовали еще до появления звезд и галактик. Такие диски могли настолько стягиваться силами тяготения, что претерпевали гравитационный коллапс, приводивший к рождению черных дыр массами в тысячи и десятки тысяч солнечных масс. Наконец, не исключено, что в юной Вселенной вспыхивали суперзвезды в сотни тысяч тяжелее Солнца, которые оставляли дыры примерно такой же массы.
Дыры любого происхождения поглощали космический газ, которого тогда было куда больше, чем в наше время, а подчас заглатывали и целые звезды. Процесс этот сильно облегчался в богатых газом галактических центрах, где дыры постепенно набирали многие миллионы солнечных масс. При объединении галактик они сливались, удваивая свою массу. В итоге к концу первого миллиарда лет существования Вселенной уже имелось немалое число черных дыр, чья масса достигала миллиарда солнечных масс.
В принципе, любую не слишком легкую дыру можно выявить с помощью эффекта, который в 1964 году предсказали советский ученый Яков Зельдович и американец Эдвин Салпитер. Согласно их теории, межзвездное вещество стягивается вокруг дыры в кольцеообразную структуру — аккреционный диск. Газ из внутренней зоны диска втягивается в дыру и по пути нагревается трением, превращаясь в горячую плазму. При очень сильном нагреве она испускает не только инфракрасное излучение, но также видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи, порой даже и гамма-кванты. Так что невидимую черную дыру можно обнаружить по свечению ее плазменного окружения.
Характер свечения зависит от массы дыры и от того, какими темпами она заглатывает вещество аккреционного диска. Дыры-гиганты, окруженные плотными дисками, способны какое-то время испускать направленные пучки сверхмощных излучений, которые легко пробивают космические дистанции в миллиарды световых лет. На земном небосводе такой пучок наблюдается как квазар, звездоподобный объект с феноменально высокой светимостью. В последние годы оптические телескопы обнаружили несколько квазаров, чей свет был испущен через 900-950 миллионов лет после Большого взрыва. А совсем недавно, 30 июня этого года, астрономы из нескольких стран сообщили в журнале Nature об открытии квазара ULAS J1120+0641, который действовал через 770 миллионов лет после Большого взрыва! Их наблюдения доказывают, что черные дыры-миллиардники существовали в совсем уж молодой Вселенной, которая успела прожить чуть больше пяти с половиной процентов своего нынешнего возраста (который, стоит напомнить, оценивается в 13,7 миллиардов лет). Более того, теперь вполне можно предположить, что они вспыхивали и в более ранние времена.
Квазары недолговечны, они быстро истощают свои топливные ресурсы и необратимо тускнеют. К тому же, через эту стадию проходит малая часть галактических дыр, скорее всего, не более десятой доли процента. Можно ли обнаружить более многочисленные дыры первого поколения, чьи окрестности светили менее ярко, но зато долго и стабильно? Речь, конечно, идет только о сверхмассивных дырах, поскольку лучевые "подписи" дыр меньшего калибра слишком слабы для современной аппаратуры.
Эту-то труднейшую проблему недавно и разрешили американские астрофизики во главе с Эзекилем Трейстером. 15 июня они представили свои результаты на пресс-конференции в вашингтонской штаб-квартире НАСА, а на следующий день их совместная статья появилась в журнале Nature.
Теория утверждает, что аккреционные диски тогдашних галактических дыр были нагреты до миллионов градусов и потому генерировали рентгеновское излучение. Трейстер и его коллеги отобрали свыше двухсот древнейших галактик, выявленных аппаратурой "Хаббла", и поочередно направили на них орбитальный рентгеновский телескоп "Чандра". Каждый раз телескоп регистрировал рентгеновские кванты, но в совершенно мизерных количествах, около пяти на галактику. Ученые предположили, что все диски примерно одинаковы и потому их излучения можно просуммировать. Поэтому они объединили рентгеновские сигналы множества черных дыр, испущенные во вселенском возрастном интервале от 700 до 950 миллионов лет, и тем самым получили для анализа сотни рентгеновских квантов. Этот анализ с высокой степенью надежности показал, что орбитальный телескоп в самом деле зарегистрировал рентгеновские сигналы галактических черных дыр той далекой эпохи.
Я попросил гарвардского астрофизика Алексея Вихлинина прокомментировать эту работу. Он отметил два момента. Во-первых, очень важно, что Трейстеру и его коллегам удалось обнаружить множество типичных дыр, расположенных в центральных областях тогдашних галактик. Собранные данные позволяют предположить, что такие дыры уже тогда были очень распространены и, скорее всего, набирали массу в унисон с ростом галактик. Во-вторых, рентгеновские спектры свидетельствует о том, что дыры были окружены плотными коконами холодного космического газа, в основном, молекулярного водорода. Эти оболочки поглощали ультрафиолетовое и световое излучение аккреционных дисков, однако пропускали рентгеновские лучи, что и позволило выявить дыры с помощью "Чандры". Вихлинин не исключает, что при более длительных наблюдениях "Чандра" увидит не только квазары первого поколения, что ей уже удавалось, но и отдельные черные дыры, светившие в спокойном режиме.