В центре практически каждой наблюдаемой массивной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба обнаружил, что некоторые из этих сверхмассивных чёрных дыр могут быть даже слишком большими для галактик, в которых они находятся, что ставит под сомнение представления астрономов об этих объектах и вызывает вопросы об их росте в ранней Вселенной. Астрономы по-прежнему исследуют многие ключевые вопросы, касающиеся этих загадочных и мощных объектов, и их изучение может помочь учёным понять, как формируются и растут галактики.
Я астроном, изучающий сверхмассивные чёрные дыры в других галактиках. Эти увлекательные астрономические объекты могут рассказать исследователям о том, как материя поглощается или выбрасывается из центра галактики и как это может влиять на другие процессы в галактике.
Что такое сверхмассивные чёрные дыры?
Сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) — это самые большие представители этого семейства объектов.
Чёрные дыры — это области в космосе, в которых гравитация стала настолько доминирующей силой, что ничто, даже свет, не может из них вырваться. Масса этих чёрных дыр в сотни тысяч, миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца.
Исследования показывают, что почти у каждой массивной галактики, которую наблюдали астрономы, в центре находится СМЧД. Однако галактики настолько велики, что эти чёрные дыры занимают лишь небольшую часть их объёма, а по массе их превосходят газ, пыль и звёзды.
СМЧД окружена своим горизонтом событий, или точкой невозврата. Любой объект, пересекающий этот горизонт, должен был бы двигаться со скоростью, превышающей скорость света, чтобы вырваться из чёрной дыры, что физически невозможно.
Если взять СМЧД из центра нашей Галактики, известную как Стрелец A*, и поставить её на место Солнца, её горизонт событий и окружающий газ поместились бы в пределах орбиты Меркурия. Однако если взять более массивную СМЧД, такую как M87*, вся Солнечная система поместится в пределах её горизонта событий.
Как учёные изучают сверхмассивные чёрные дыры?
С точки зрения наблюдений СМЧД трудно обнаружить.
Несмотря на то, что многие из них в миллионы раз больше нашего Солнца, они занимают лишь небольшую часть галактики, которая, к тому же, может быть скрыта звёздами и пылью. На сегодняшний день сделано всего два «снимка» сверхмассивных чёрных дыр, оба — в рамках проекта «Event Horizon Telescope Collaboration».
Поскольку сделать прямые снимки очень сложно, астрономам приходится использовать косвенные методы для изучения СМЧД и их свойств.
Чтобы определить массу СМЧД, астрономы могут изучить окружающую её галактику и рассчитать массу, необходимую для оказания такой гравитационной силы на компоненты галактики. СМЧД, поглощающие материю, относятся к категории активных, тогда как СМЧД, не поглощающие материю, называются неактивными или покоящимися.
В случае галактики с покоящейся СМЧД астрономы измеряют скорость движения звёзд, плотно сгруппированных вблизи центра галактики. Они вычисляют среднее значение всех этих скоростей и используют соотношение, известное как отношение M-сигма, чтобы получить массу, соответствующую средней измеренной скорости.
В случае галактик с активной сверхмассивной чёрной дырой астрономы изучают свет, излучаемый газом вокруг горизонта событий. Если учёные исходят из предположения, что газ движется по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры, то ширина окружающего газа соответствует центральной массе, и это может стать ещё одним способом оценки массы.
Астрономы также могут получить представление о том, какое количество материи падает в активную чёрную дыру, измерив светимость, или наблюдаемую мощность, газа до того, как он пересечёт горизонт событий.
Чего мы не знаем об этих объектах
Астрономы также заинтересованы в том, чтобы выяснить, как формируются СМЧД. Хотя они уже знают, как формируются более мелкие чёрные дыры, называемые чёрными дырами звёздной массы, сверхмассивные чёрные дыры слишком велики, чтобы образовываться таким же образом.
Чёрные дыры звёздной массы образуются, когда у массивной звезды заканчивается топливо. Под действием гравитации её ядро коллапсирует, что вызывает ударную волну, разрушающую звезду и способную оставить после себя чёрную дыру. Однако звёзды, из которых образуются эти чёрные дыры звёздной массы, недостаточно массивны, чтобы дать начало СМЧД.
У учёных есть две гипотезы относительно образования «зародышей» СМЧД. Эти «зародыши» — это исходные чёрные дыры, которые со временем набирают массу, пока не превращаются в СМЧД, которые мы наблюдаем сегодня.
Одна из гипотез гласит, что они являются результатом гибели массивных молодых звёзд ранней Вселенной, известных как звёздное население III. Другая гипотеза предполагает, что зародыши СМЧД возникли в результате коллапса большого газового облака, которое из-за своей огромной массы и сильной гравитации превратилось в чёрную дыру.
На данный момент ни одна из этих гипотез не подкреплена прямыми наблюдательными данными, однако результаты наблюдений космического телескопа «Уэбб» могут помочь ответить на эти вопросы.
Ещё один важный вопрос, на который пока нет ответа, — когда формируются эти сверхмассивные чёрные дыры. Этот вопрос напоминает дилемму «курица или яйцо»: сформировались ли сначала зародыши СМЧД, а затем постепенно привлекли вещество, из которого в конечном итоге образовалась галактика вокруг них? Или сначала начала формироваться галактика, а звёзды и газовые облака внутри неё коллапсировали, образовав зародыши СМЧД?
Предварительные результаты и наблюдения указывают на то, что более вероятным является первый вариант, но если это так, то возникает вопрос: как могла сформироваться и развиваться остальная часть галактики, имея внутри себя СМЧД?
Почему важно их изучать?
СМЧД оказывают влияние на галактики, в которых они находятся. По мере роста СМЧД астрономы наблюдают увеличение скорости звёзд, расположенных в центральном скоплении галактики. Эта закономерность указывает на связь между СМЧД и другими компонентами галактики, такими как звёзды, газ и пыль.
Часто учёные наблюдают, как вещество падает внутрь, к чёрной дыре. Но прежде чем оно будет втянуто, часть его отбрасывается назад ветрами, создаваемыми интенсивным давлением и трением чёрной дыры. Это вещество, отброшенное из окрестностей СМЧД, может либо нагревать газ и препятствовать образованию звёзд, либо сжимать газ и вызывать ударные волны внутри галактики.
Хотя СМЧД может влиять на свою галактику, Земле не грозит опасность быть втянутой или поглощённой чёрной дырой в центре Млечного Пути. В большинстве галактик СМЧД просто действует как гравитационная сила, удерживающая галактики на орбите.
Тем не менее для учёных важно понимать, как СМЧД влияют на свои галактики и как они могут определять наши наблюдения за Вселенной.
