Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Я много лет пытался постичь жизнь и судьбу сверхмассивных черных дыр. Мы с моим студентом Джонатаном Трампом провели в общей сложности десятки ночей у 6,5-метровых телескопов в Аризоне и Чили. Благодаря современному оборудованию данные, которые когда-то приходилось копить всю жизнь, можно собрать за время, пока аспирант пишет диссертацию. В классической спектроскопии свет одной активной галактики проходит через щель инструмента и раскладывается в спектр. В инструменте, которым мы пользовались в Чили, маленькие щели наводились на сотни объектов в области неба размером с полную Луну. Одна долгая выдержка – и у вас есть 100 объектов с массой черной дыры. Из этих данных мы надеялись воссоздать связную картину расцвета и упадка активности квазаров во Вселенной. Квазары находятся очень далеко, и неважно, в какую сторону направлен телескоп, но я предпочитаю южное небо. Млечный Путь, протянувшийся над головой, как рваная серебряная занавесь, выглядит великолепно, а дополнительные бонусы – это соседние с нами галактики, Магеллановы Облака, разбросанные, словно ватные шарики, по черному полотнищу. На улице было так темно, что под светом звезд можно было читать книгу.

Мы собрали статистические данные, охватывающие всю линию эволюции черных дыр в масштабах космического времени. Для этого нужно учесть все черные дыры, не только экстремальные. Я избавился от юношеской одержимости блазарами и теперь хотел узнать, от чего зависит все население активных галактик. По аналогии, если вы заинтересуетесь составом автопарка, то насчитаете намного больше фордов и тойот, чем машин марки «Феррари» и «Астон-Мартин». Большой загадкой являлось то, что черные дыры активны лишь малую часть времени. Вторая тайна – тесная взаимосвязь между массой черной дыры в центре галактики и массой всех старых звезд в той же галактике, разбросанных на масштабные расстояния. Кажется, черная дыра «знает», в какой галактике живет.

По нашим данным, самые большие черные дыры быстро росли первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва, а затем у них кончилось топливо. Более многочисленные черные дыры меньшей массы росли медленнее, но в последние 5 млрд лет тоже в большинстве своем успокоились. Пик эры квазаров давно миновал, но черные дыры не исчезли, и можно предположить, что они «голодают», поскольку со временем их питание урезается. Это звучит разумно, так как расширяющаяся Вселенная становится менее плотной и частота слияний галактик снижается. Однако невозможно предсказать для каждой эпохи космического времени и конкретной массы галактики, какая черная дыра будет активной, а какая – спокойной. Столь же трудно предсказать будущее квазаров.

Мы превратили исследование в игру, разложив на столе карточки с описаниями квазаров, как филателисты. Некоторые квазары были яркими – не потому ли, что имели галактику-компаньона, которой кормятся? В отдельных случаях, но не всегда. Не потому ли некоторые из них тусклые, что живут в галактике, бедной газом? Необязательно. Мы не могли найти фактор, который запускал бы ядерную активность. Композиция нашей картины была логичной, но отдельные ее фрагменты были окрашены случайным образом.

Природа изобретательна: она создает черные дыры, массы которых различаются в миллиард раз (илл. 66). В ходе нашей работы мы ни разу не нашли черную дыру, превышающую 10 млрд солнечных масс. Что даже слегка удручает: я всегда мечтал упомянуть о таком открытии в своем резюме. Предсказания теоретиков устанавливают предел массы черной дыры в десять раз больше, около 10¹¹ солнечных[399]

. На этом уровне становится важна физика процесса аккреции, независимо от массы родительской галактики. По-видимому, это естественный предел для черных дыр. Чтобы стать еще больше, черная дыра должна поглощать 1000 солнечных масс в год, а такое количество газа коллапсировало бы в новые звезды на пространстве в сотни световых лет, не успев достигнуть черной дыры. Кроме того, в черных дырах запускаются процессы саморегуляции. Испускаемое вовне излучение отталкивает поступающий газ и препятствует дальнейшему питанию. Раздувшееся чудовище жаждет пищи, но в доступных пределах ничего нет.

Эра звездных остатков

Хотя массивные черные дыры в центрах галактик приближаются к естественному пределу, смерть массивных звезд по-прежнему формирует новые черные дыры малой массы. Звездная эволюция – это битва между силами света и тьмы: энергия термоядерного синтеза поддерживает распухание звезды, а гравитация пытается заставить ее сжаться. Как мы видели, в Солнце эти силы будут в равновесии следующие 5 млрд лет, затем гравитация победит и сожмет ядро в белый карлик. Массивные звезды эволюционируют быстрее, и после победы гравитации от них остаются нейтронные звезды или черные дыры.