Ми знаємо, що надмасивні чорні діри в центрах галактик можуть мати масу, що в мільярди разів перевищує сонячну. Проте чи існує якась межа, більшими за яку вони бути не можуть? Питання це не настільки просте, як може здатися.
Розмір чорних дір
Чорні діри — це області простору, в яких сила тяжіння настільки велика, що для того, аби вийти за їхні межі, треба рухатися швидше за світло, а це неможливо. Межа такої області називається горизонтом подій.
Теоретично чорні діри можуть бути скільки завгодно малими, аж до планківської межі — 1,61*10-35 м. Однак у сучасному Всесвіті немає процесів, завдяки яким могли б утворюватися чорні діри масою менше, ніж 2 сонячних.
Вони існували на самому початку Всесвіту, однак більшість первинних чорних дір, що тоді утворилася, вже мали б зникнути через процес, що відомий як випромінювання Гокінга. Воно являє собою спонтанне народження пари з частинки та античастинки поблизу горизонту подій, одна з них падає на чорну діру, а друга — улітає геть, забираючи із собою частину енергії, а значить, і маси об’єкта.
І якщо з мінімальним розміром чорних дір все більш-менш зрозуміло, то з максимальним — значно складніше. Власне, ті об’єкти, що утворюються внаслідок вибуху наднових, повинні мати масу меншу, ніж у зір, з якими це відбувається. І це означає, що максимальною є маса у кілька десятків сонячних, що добре узгоджується з наявними спостереженнями.
Однак треба ще врахувати той факт, що після утворення ці об’єкти можуть активно поглинати речовину і зливатися. В результаті утворюється щось, що називається чорною дірою проміжної маси, що у 100–100 000 разів перевищує сонячну. Теоретично вона не має сильно відрізнятися від своїх менших родичів, але наскільки це насправді так — вчені не знають, бо поки що існування жодної з них не було доведено з повною упевненістю.
Надмасивні чорні діри
Зате ми точно знаємо, що існують чорні діри значно більшого розміру, які вчені називають надмасивними. Ми точно знаємо, що ці об’єкти існують, бо один із них розмістився прямо в центрі Чумацького Шляху лише у 27 тис. світлових років від нас.
Сама по собі чорна діра, що має назву Стрілець А*, невидима у жодній із частин спектра. Проте астрономи добре бачать великі зорі, що обертаються навколо неї на відстані лише у кілька десятків світлових років. Їхня поведінка зумовлена гравітаційним впливом надзвичайно великого тіла, маса якого у 4,3 млн разів більша за сонячну.
Науковці знають, що і це ще не межа, бо в центрі інших галактик також розташовані надмасивні чорні діри, й вони можуть бути набагато більшими за Стрілець А*. Їхня маса може у десятки мільярдів разів перевищувати наше світило.
Способи оцінки маси
То яка ж чорна діра є найбільшою і чи є якась верхня межа маси для цих об’єктів? Відповідь на це запитання не така проста, як здається. Для початку треба сказати, що тим самим методом, що й у випадку зі Стрільцем А*, вчені визначили маси чорних дір лише в кількох найближчих до нас галактиках. Проте вони складають лише невелику частину систем, про які ми знаємо, що вони мають надмасивну чорну діру в центрі. Більшість з них є доступною для спостережень через те, що вони не настільки спокійні, як Стрілець А*. Вони активно поглинають газ та пил із навколишнього середовища і частину його викидають назовні у вигляді струменів. Вони настільки потужні, що їх видно з відстаней у мільярди світлових років.
За тим, наскільки ці промені потужні, вчені легко можуть сказати, що об’єкти, які їх породили, справді великі, але точно визначити їхню масу неможливо. Бо зір, які б оберталися безпосередньо навколо них, ми не бачимо.
Тому в таких випадках вчені використовують інші методи. Наприклад, можна спробувати спостерігати пил та газ безпосередньо поруч із тим місцем, де має перебувати чорна діра. Самого руху, спричиненого її тяжінням, ми, звичайно ж, не бачимо. Однак завдяки тому, що ця речовина випромінює, ми можемо бачити її спектр. Далі все що треба — це з’ясувати, як зсунуті лінії у спектрі завдяки ефекту Доплера, і вже за ними визначити швидкість руху, силу гравітації, що діє, і масу невидимого об’єкта.
Інший спосіб полягає у відстежуванні руху зір, який у масштабах всієї галактики побачити значно легше, ніж у маленькій центральній області. За параметрами розподілу швидкостей у зоряній системі можна визначити, чи є в її центрі масивний одиночний об’єкт, чи ні. Зокрема вважається, що між дисперсією швидкостей зір у галактиці й масою чорної діри в центрі є лінійна залежність.
Методів багато, але у них є одна величезна вада. Результати, отримані за їхньою допомогою, не тільки мають велику розбіжність, вони ще й суперечать один одному. Тому відповідь на запитання, яка ж із чорних дір є наймасивнішою, здається дещо суперечливою.
Яка чорна діра «найважча»?
Головний кандидат на титул наймасивнішої чорної діри — SDSS J140821.67+025733.2. Це надзвичайно яскравий квазар у сузір’ї Діви. Маса спочатку оцінювалася у 196 млрд сонячних, але пізніше була скоректована, і зараз вважається, що вона «лише» у 112 млрд разів більша, ніж у нашого світила.
Далі йде Фенікс А, теж квазар, розташований у велетенському скупченні галактик Фенікс. Вважається, що маса цієї чорної діри становить 100 млрд сонячних. Далі — IC 1101 з масою у 97 млрд сонячних, SDSS J150848.79+605551.9 з масою 68 млрд сонячних та 4C +74.13, маса якої оцінюється у 51 млрд сонячних.
Також як «найважчу» згадують надмасивну чорну діру TON 618. Річ у тім, що раніше її маса оцінювалася у 66 млрд сонячних, однак пізніші дослідження дозволили оцінити її у 40,7 млрд сонячних.
Проблема усіх цих цифр полягає в тому, що вони отримані завдяки дуже непрямим методам. Висновки базувалися або на дослідженні певних ліній у спектрі квазара, або на розмірах центральної області галактик, в яких вони розташовані. Тому є серйозна підозра, що всі ці оцінки можуть бути завищеними в рази, а то й десятки разів.
До того ж є теоретична оцінка максимального розміру, до якого могла б вирости надмасивна чорна діра за ті 13,7 млрд років, які існує Всесвіт. Вона становить лише 50 млрд сонячних мас і зумовлена максимальною кількістю речовини, яку може поглинати чорна діра за одиницю часу, бо при досягненні цього значення випромінювання, яке йде від неї, та процеси зореутворення в акреційному диску врівноважують потік речовини, зумовлений силами гравітації.
Точніше, теоретично можуть існувати чорні діри з масою до 270 млрд сонячних. Однак для цього їм треба обертатися з максимально можливою швидкістю. Однак жодна з досліджених надмасивних чорних дір навіть близько не крутиться так швидко.
Тож виникає питання: це теоретичне обмеження неправильне, чи оцінка маси найбільших об’єктів. Єдиної думки щодо цього немає, однак більшість науковців обґрунтовано схиляється до другого варіанта.
Є ще третя можливість, яка не врахована в усіх попередніх теоретичних викладках. Так само як чорні діри зоряної маси можуть зливатися, утворюючи об’єкти проміжної маси, їхні надмасивні родичі можуть рости шляхом об’єднання. І в цьому випадку всі теоретичні обмеження на їхній максимальний розмір стають неважливими.
Проте зливатися надмасивні чорні діри можуть тільки під час зіткнення галактик. І те, наскільки часто і наскільки швидко це відбувається, залишається спірним питанням. Тож наскільки насправді все це впливає на еволюцію цих об’єктів, однозначно сказати неможливо.
Галактика Космічна Підкова
Саме тому нещодавно опублікована стаття про визначення маси чорної діри в центрі галактики Космічна Підкова здається дуже цікавою. Справа тут зовсім не в отриманому значенні маси у 36 млрд сонячних, яка, принаймні на перший погляд, не є рекордною, а у способі її визначення та тих висновках, які були отримані під час дослідження.
Власне, Космічна Підкова — не одиночна галактика, а комплексний об’єкт, який являє собою чудовий зразок ефекту гравітаційного лінзування. Теорія відносності передбачає, що гравітація масивного тіла має викривлювати промені, які проходять крізь нього. Тому якщо за однією масивною галактикою ховається інша, то промені світла будуть огинати її й утворювати викривлене зображення у вигляді дубльованих об’єктів, дуг чи кілець.
Існування ефекту гравітаційного лінзування було передбачене ще кілька десятиліть тому, однак на практиці такі об’єкти вчені почали відкривати тільки у ХХІ столітті. Тож відкрита у 2007 році Космічна Підкова стала одним із перших підтверджень того, що Ейнштейн і в цьому мав рацію.
Космічна Підкова цікава тим, що складається не з двох, а одразу з трьох об’єктів. Один із них — гігантська і дуже яскрава у червоному кольорі еліптична галактика LRG 3-757. Вона розташована на передньому плані й, власне, створює ефект гравітаційної лінзи.
За LRG 3-757 є ще дві зоряні системи. Світло однієї з них сильно викривляється гравітаційною лінзою. Ми бачимо її як яскраву дугу, що й дала назву Космічній Підкові. Проте, крім неї, на знімках можна побачити ще одну зоряну систему, зображення якої спотворене, але не розтягнуте в дугу. Відстані до обох лінзованих об’єктів відомі, тож науковці використали цей факт для перевірки точності методів визначення мас чорних дір на об’єкті в центрі LRG 3-757.
Спочатку астрономи застосували непрямий метод і визначили масу чорної діри за дисперсією швидкостей обертання зір у галактиці. А потім побудували кілька моделей гравітаційної лінзи, виходячи з припущень про масу точкового об’єкта в центрі або його відсутність. А далі вони подивилися, яка з моделей найбільше відповідає тому, що спостерігається насправді, й зробили висновок про те, якого ж розміру там об’єкт.
Отже, вчені отримали дві незалежні оцінки маси чорної діри, які були дуже близькими, але при цьому значення, отримане на основі моделювання гравітаційної лінзи, виявилося трохи вищими. Це наштовхнуло їх на думку, що залежність між дисперсією швидкостей зір у галактиці й взагалі її масою та масою чорної діри може виявитися не такою лінійною, як це вважається. Тобто при збільшенні маси галактики чорна діра в її центрі має бути більшою, ніж це очікували досі.
Наскільки масивними можуть бути чорні діри?
Отриманий у дослідженні результат справді є цікавим з погляду дискусії про найбільші чорні діри. Бо до цього зважена перевірка результатів переважно показувала, що автори сенсаційних відкриттів «наймасивніших чорних дір» схильні переоцінювати їхній розмір. І навіть ідея, що злиття можуть суттєво збільшити шанс перевищення теоретично передбаченої межі у 50 млрд сонячних мас, була не дуже обґрунтованою.
Нове дослідження можна розцінювати як аргумент на користь того, що дуже великі цифри при оцінці маси можуть таки бути правдивими. Однак варто пам’ятати, що це дослідження — не останнє, і аргументи на користь тієї чи іншої думки будуть ще з’являтися неодноразово.
У будь-якому разі, отримана двома незалежними методами оцінка у 36 млрд сонячних мас, є однією з найнадійніших, яку науковці мають щодо наймасивніших об’єктів у Всесвіті. Та й взагалі, чорних дір у діапазоні 30–40 млрд сонячних мас, тобто у 8–10 тисяч разів більших за Стрілець А*, відкрито достатньо багато. Тобто принаймні цей діапазон мас можна вважати реальним.
Питання лише в тому, наскільки перевищеними є ті оцінки, які вчені зараз мають для SDSS J140821.67+025733.2, Фенікс А та інших найбільших чорних дір. Якщо їхня маса перебільшена всього у 2–3 рази, то це означає, що вони цілком собі вписуються у згаданий вище діапазон. І тоді ані теоретичну межу маси чорних дір не треба переглядати, ані питання про те, наскільки частими є їхні злиття, підіймати.
Однак, якщо оцінки мас чорних дір перебільшені не більш як на кілька десятків відсотків, то це означає, що максимум у 50 млрд мас Сонця — насправді не максимум, і його треба якось пояснити. Тож суперечки щодо розміру надмасивних чорних дір тривають і надалі.
