Мы знаем, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут иметь массу, в миллиарды раз превышающую солнечную. Однако существует ли какой-то предел, больше которого они быть не могут? Вопрос этот не столь прост, как может показаться.
Размер черных дыр
Черные дыры — это области пространства, в которых сила тяжести настолько велика, что для того, чтобы выйти за их пределы, нужно двигаться быстрее света, а это невозможно. Граница такой области называется горизонтом событий.
Теоретически черные дыры могут быть сколь угодно малыми, вплоть до планковской границы — 1,61*10-35 м. Однако в современной Вселенной нет процессов, благодаря которым могли бы образовываться черные дыры массой менее 2 солнечных.
Они существовали в самом начале Вселенной, однако большинство образовавшихся первичных черных дыр уже должны были исчезнуть из-за процесса, известного как излучение Хокинга. Оно представляет собой спонтанное рождение пары из частицы и античастицы вблизи горизонта событий, одна из них падает на черную дыру, а вторая — улетает прочь, унося с собой часть энергии, а значит, и массы объекта.
И если с минимальным размером черных дыр все более или менее понятно, то с максимальным значительно сложнее. Собственно, те объекты, которые образуются в результате взрыва сверхновых, должны иметь массу меньше, чем у звезд, с которыми это происходит. И это означает, что максимальна масса в несколько десятков солнечных, что хорошо согласуется с имеющимися наблюдениями.
Однако следует еще учесть тот факт, что после образования эти объекты могут активно поглощать вещество и сливаться. В результате образуется нечто, называемое черной дырой промежуточной массы, в 100–100 000 раз превышающей солнечную. Теоретически она не должна сильно отличаться от своих меньших родственников, но насколько это на самом деле — ученые не знают, потому что пока существование ни одного из них не было доказано с полной уверенностью.
Сверхмассивные черные дыры
Зато мы точно знаем, что существуют черные дыры значительно большего размера, которые ученые называют сверхмассивными. Мы точно знаем, что эти объекты существуют, потому что один из них разместился прямо в центре Млечного Пути всего в 27 тыс. световых лет от нас.
Сама по себе черная дыра, называемая Стрелец А*, невидима ни в одной из частей спектра. Однако астрономы хорошо видят большие звезды, вращающиеся вокруг нее на расстоянии всего в несколько десятков световых лет. Их поведение обусловлено гравитационным влиянием чрезвычайно большого тела, масса которого в 4,3 млн раз больше солнечной.
Ученые знают, что и это еще не предел, потому что в центре других галактик также находятся сверхмассивные черные дыры, и они могут быть гораздо больше Стрельца А*. Их масса может в десятки миллиардов раз превышать наше светило.
Способы оценки массы
Так какая же черная дыра самая большая и есть ли какая-то верхняя граница массы для этих объектов? Ответ на этот вопрос не так прост, как кажется. Для начала надо сказать, что тем же методом, что и в случае со Стрельцом А*, ученые определили массы черных дыр только в нескольких ближайших к нам галактиках. Однако они составляют лишь небольшую часть систем, о которых мы знаем, что они имеют сверхмассивную черную дыру в центре. Большинство из них доступны для наблюдений из-за того, что они не настолько спокойны, как Стрелец А*. Они активно поглощают газ и пыль из окружающей среды и его часть выбрасывают наружу в виде струй. Они настолько мощны, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет.
По тому, насколько эти лучи мощные, ученые легко могут сказать, что породившие их объекты действительно большие, но точно определить их массу невозможно. Потому что звезд, вращающееся непосредственно вокруг них, мы не видим.
Поэтому в таких случаях ученые используют другие методы. Например, можно попытаться наблюдать пыль и газ непосредственно рядом с тем местом, где должна находиться черная дыра. Самого движения, вызванного ее тяготением, мы, конечно же, не видим. Однако благодаря тому, что это вещество излучает, мы можем видеть его спектр. Дальше все что нужно — это выяснить, как сдвинуты линии в спектре благодаря эффекту Доплера, и уже за ними определить скорость движения, силу действующей гравитации и массу невидимого объекта.
Другой способ заключается в отслеживании движения звезд, которое в масштабах всей галактики увидеть гораздо легче, чем в маленькой центральной области. По параметрам распределения скоростей в звездной системе можно определить, есть ли в ее центре массивный одиночный объект, или нет. В частности, считается, что между дисперсией скоростей звезд в галактике и массой черной дыры в центре есть линейная зависимость.
Методов много, но у них есть один огромный недостаток. Результаты, полученные с их помощью, не только имеют большое расхождение, они еще и противоречат друг другу. Поэтому ответ на вопрос, какая же из черных дыр является самой массивной, кажется несколько противоречивым.
Какая черная дыра «самая тяжелая»?
Главный кандидат на титул самой массивной черной дыры — SDSS J140821.67+025733.2. Это чрезвычайно яркий квазар в созвездии Девы. Масса сначала оценивалась в 196 млрд солнечных, но позже была скорректирована, и сейчас считается, что она «только» в 112 млрд раз больше, чем у нашего светила.
Далее следует Феникс А, тоже квазар, расположенный в гигантском скоплении галактик Феникс. Считается, что масса этой черной дыры составляет 100 млрд. солнечных. Далее — IC 1101 с массой в 97 млрд солнечных, SDSS J150848.79+605551.9 с массой 68 млрд солнечных и 4C +74.13, масса которой оценивается в 51 млрд солнечных.
Также как «самую тяжелую» вспоминают сверхмассивную черную дыру TON 618. Дело в том, что раньше ее масса оценивалась в 66 млрд солнечных, однако более поздние исследования позволили оценить ее в 40,7 млрд солнечных.
Проблема всех этих цифр состоит в том, что они получены благодаря очень косвенным методам. Выводы базировались либо на исследовании определенных линий в диапазоне квазара, либо на размерах центральной области галактик, в которых они находятся. Поэтому есть серьезное подозрение, что все эти оценки могут быть завышены в разы, а то и в десятки раз.
К тому же есть теоретическая оценка максимального размера, к которому могла бы вырасти сверхмассивная черная дыра за те 13,7 млрд лет, которые существует Вселенная. Она составляет лишь 50 млрд солнечных масс и обусловлена максимальным количеством вещества, которое может поглощать черная дыра за единицу времени, ибо при достижении этого значения исходящего от него излучения и процессы звездообразования в аккреционном диске уравновешивают поток вещества, обусловленный силами гравитации.
Точнее, теоретически могут существовать черные дыры с массой до 270 млрд. солнечных. Однако для этого им следует вращаться с максимально возможной скоростью. Однако ни одна из исследованных сверхмассивных черных дыр даже близко не крутится так быстро.
Поэтому возникает вопрос: это теоретическое ограничение неправильно или оценка массы крупнейших объектов. Единого мнения на этот счет нет, однако большинство ученых обоснованно склоняется ко второму варианту.
Есть еще третья возможность, которая не учтена во всех предыдущих теоретических выкладках. Так же как черные дыры звездной массы могут сливаться, образуя объекты промежуточной массы, их сверхмассивные родственники могут расти путем объединения. И в этом случае все теоретические ограничения на их максимальный размер становятся неважными.
Однако сливаться сверхмассивные черные дыры могут только во время столкновения галактик. И то, насколько часто и насколько быстро это происходит, остается спорным вопросом. Поэтому насколько на самом деле все это влияет на эволюцию этих объектов, однозначно сказать невозможно.
Галактика Космическая Подкова
Поэтому недавно опубликованная статья об определении массы черной дыры в центре галактики Космическая Подкова выглядит очень интересно. Дело здесь вовсе не в полученном значении массы в 36 млрд солнечных, которое, по крайней мере, на первый взгляд, не является рекордным, а в способе его определения и выводах, полученных в ходе исследования.
Собственно, Космическая Подкова — не одиночная галактика, а комплексный объект, который представляет собой отличный образец эффекта гравитационного линзирования. Теория относительности предполагает, что гравитация массивного тела должна искривлять проходящие сквозь него лучи. Поэтому если за одной массивной галактикой скрывается другая, то лучи света будут огибать ее и образовывать искривленное изображение в виде дублированных объектов, дуг или колец.
Существование эффекта гравитационного линзирования было предусмотрено еще несколько десятилетий назад, однако на практике такие объекты ученые начали открывать только в XXI веке. Открытая в 2007 году Космическая Подкова стала одним из первых подтверждений того, что Эйнштейн и в этом был прав.
Космическая Подкова интересна тем, что состоит не из двух, а сразу из трех объектов. Один из них — гигантская и очень яркая в красном цвете эллиптическая галактика LRG 3-757. Она находится на переднем плане и, собственно, создает эффект гравитационной линзы.
За LRG 3-757 есть еще две звездные системы. Свет одной из них сильно искривляется гравитационной линзой. Мы видим ее как яркую дугу, которая и дала название Космической Подкове. Однако, кроме нее, на снимках можно увидеть еще одну звездную систему, изображение которой искажено, но не растянуто в дугу. Расстояния до обоих линзированных объектов известны, поэтому ученые использовали этот факт для проверки точности методов определения масс черных дыр на объекте в центре LRG 3-757.
Сначала астрономы применили косвенный метод и определили массу черной дыры по дисперсии скоростей вращения звезд в галактике. А затем построили несколько моделей гравитационной линзы, исходя из предположений о массе точечного объекта в центре, или его отсутствии. А дальше они посмотрели, какая из моделей больше всего соответствует тому, что наблюдается на самом деле, и сделали вывод о том, какого же размера там объект.
Таким образом, ученые получили две независимые оценки массы черной дыры, которые были очень близкими, но при этом значение, полученное на основе моделирования гравитационной линзы, оказалось несколько выше. Это натолкнуло их на мысль, что зависимость между дисперсией скоростей звезд в галактике и вообще ее массой и массой черной дыры может оказаться не столь линейной, как это считается. То есть при увеличении массы галактики черная дыра в ее центре должна быть больше, чем это ожидали до сих пор.
Насколько же массивными могут быть черные дыры?
Полученный в исследовании результат действительно интересен с точки зрения дискуссии о самых больших черных дырах. Потому что до этого взвешенная проверка результатов преимущественно показывала, что авторы сенсационных открытий «самых массивных черных дыр» склонны переоценивать их размер. И даже идея, что слияния могут существенно увеличить шанс превышения теоретически предусмотренного предела в 50 млрд солнечных масс, выглядела не очень обоснованной.
Новое исследование можно расценивать как аргумент в пользу того, что очень большие цифры при оценке массы могут быть правдивыми. Однако следует помнить, что это исследование — не последнее, и аргументы в пользу того или иного мнения будут появляться неоднократно.
В любом случае, полученная двумя независимыми методами оценка в 36 млрд солнечных масс, является одной из самых надежных, которую у ученых имеют самые массивные объекты во Вселенной. Да и вообще, черных дыр в диапазоне 30–40 млрд солнечных масс, то есть в 8–10 тысяч раз больше Стрелец А*, открыто достаточно много. То есть, по крайней мере, этот диапазон масс можно считать реальным.
Вопрос лишь в том, насколько превышены те оценки, которые ученые сейчас имеют для SDSS J140821.67+025733.2, Феникс А и других крупнейших черных дыр. Если их масса преувеличена всего в 2–3 раза, то это означает, что они вполне себе вписываются в упомянутый выше диапазон. И тогда ни теоретический предел массы черных дыр не надо пересматривать, ни вопрос о том, насколько частыми являются их слияния, поднимать.
Однако если оценки масс черных дыр преувеличены не более чем на несколько десятков процентов, то это означает, что максимум в 50 млрд масс Солнца — на самом деле не максимум, и его нужно как-то объяснить. Поэтому споры о размере сверхмассивных черных дыр продолжаются и дальше.
