Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Квазары и блазары – сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах крупных галактик и могут проявлять высокую активность.

Самым надежным способом идентификации сверхмассивной черной дыры и определения ее массы является наблюдение вращения объектов на близком расстоянии вокруг нее. Это могут быть звезды (как в случае нашей Галактики), газ или мазерные источники[7]

. В последнем случае удается с высокой точностью определять массы дыр в галактиках, расположенных в десятках миллионов световых лет от нас. Кроме того, есть несколько косвенных способов оценки массы черной дыры, в том числе основанных на известных корреляциях массы дыры с какими-нибудь параметрами галактики или принимаемого излучения. Наконец, заподозрить существование сверхмассивной черной дыры мы можем по наблюдениям активности в галактическом ядре.

Сама идея о существовании сверхмассивных черных дыр появилась после обнаружения квазаров – точечных источников радиоизлучения. Некоторые из них были идентифицированы и в оптическом диапазоне как квазизвездные (точечные) объекты. Однако объяснить их спектры не удавалось, пока это в 1963 г. не сделал Мартин Шмидт (Maarten Schmidt). Спектральные линии были идентифицированы после учета их значительного красного смещения, и космологическая интерпретация смещения делала квазары самыми далекими из известных на тот момент источников. Расстояние до них исчисляется миллиардами световых лет (при этом первые исследованные квазары оказались самыми близкими к нам!). Соответственно, светимость объектов оказывалась крайне высокой.

В 1963 г. Мартин Шмидт объяснил сдвиг линий в спектрах квазаров космологическим красным смещением. Это дало возможность измерять расстояния до них.

Кроме того, была обнаружена переменность блеска квазаров в оптическом диапазоне (для самого близкого и первого идентифицированного квазара, 3С 273, это сделали в 1963 г. Александр Шаров и Юрий Ефремов, используя данные «стеклянной библиотеки» – хранилища фотопластинок – ГАИШ). Быстрая переменность говорит о небольших размерах источника. В случае квазаров размер оказывался сравнимым с масштабом Солнечной системы, притом что светимость превосходила таковую у некоторых крупных галактик. Это требовало нового необычного источника энергии.

Гипотеза, которую предложили Яков Зельдович и Эдвин Солпитер (Edwin Salpeter), позволяет решить эти проблемы. Сверхмассивная черная дыра при массе около 50 млн солнечных имеет радиус, примерно равный 1 a.е. Газ, притягиваемый черной дырой, из-за большого момента импульса формирует аккреционный диск, эффективность энерговыделения в котором может составлять десятки процентов. При достаточном количестве падающего вещества такая черная дыра может иметь светимость вплоть до триллиона светимостей Солнца, что многократно превосходит полную светимость нашей Галактики.

В настоящее время достаточно точно измерены массы десятков сверхмассивных черных дыр. Самые тяжелые из них достигают 10 млрд масс Солнца, а самые легкие – нескольких тысяч солнечных масс (при меньших значениях дыра не сможет удержаться в центре даже небольшой галактики). Но масса черной дыры всегда существенно меньше массы галактики, в которой она расположена.

Источник, переменный на характерном масштабе времени T, не может иметь размеры излучающей области более чем L = cT, где с – скорость света.

Одной из самых хорошо изученных является черная дыра в центре нашей Галактики – объект Sgr A* (Стрелец A*) с массой около 4 млн солнечных. Расстояние до нее около 25 000 световых лет, вокруг нее удается наблюдать движение звезд, что и дает точное определение массы. Низкая эффективность аккреции на Sgr A* подтверждает его идентификацию в качестве черной дыры (вещество не контактирует с поверхностью, а уходит под горизонт, не успевая высветить свою энергию). В апреле 2017 г. были проведены наблюдения Sgr A* с помощью трансконтинентальной системы радиотелескопов Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Эти наблюдения призваны продемонстрировать наличие эффектов, характерных именно для черных дыр, а также определить параметры центрального массивного объекта.

Эффект гравитационного красного смещения приводит к тому, что свет, исходящий из области с большей гравитацией, выглядит для наблюдателя покрасневшим.