[Перевод] Крупнейшая чёрная дыра в известной части Вселенной

Опыт человека показывает, что нельзя быстро выйти на свет. Нужно пройти через сумерки в проявляющийся день до того, как наступит полдень, и солнце зальёт ландшафт.
— Вудро Вильсон

Мы знаем, как формируется большинство чёрных дыр во Вселенной: после смерти массивных звёзд (от 20 солнечных масс и более), появляются чёрные дыры массой от трёх солнечных. Такие звёзды сжигают содержащееся в ядре горючее быстрее других – всего лишь за несколько миллионов лет – и когда ядро уже не может гореть, они коллапсируют. И ничто внутри звёзд, ни атомы, ни ядра, ни кварки с глюонами, не могут устоять перед гравитационным коллапсом, если в звезде было достаточно массы!

Когда звезда достигает массы в 100 солнечных, в её недрах начинают твориться очень странные вещи. В частности, внутреннее ядро звезды разогревается так сильно, что ощутимая часть фотонов достигает энергии, превышающей 511 КэВ, важный энергетический порог. Он достаточно большой для того, чтобы два сталкивающихся фотона могли спонтанно породить электрон-позитронную пару!

В обычной звезде давление наружу и гравитационное сжатие внутрь оказываются сбалансированными и держат звезду. Но это давление оказывается фотонами, движущимися со скоростью света, и если эти фотоны внезапно будут превращаться в медленно двигающиеся частицы материи и антиматерии, давление упадёт, и, возможно, критически.

В зависимости от массы звезды, вся она может испытать выходящую из под контроля реакцию синтеза, уничтожающую всю звезду, или, для наиболее массивных звёзд, большая часть этой массы может сколлапсировать в чёрную дыру! Именно этого мы ожидаем от большого количества звёзд в ближайшем к нам звёздном кластере: R136 в туманности Тарантул.

Вселенной уже много лет, и у неё было множество возможностей создать большие, сверхмассивные звёзды, прожившие, умершие и превратившиеся в чёрные дыры. В центре галактик, в частности, у этих чёрных дыр есть возможность слиться и сильно вырасти. Со временем в большинстве галактик появляются сверхмассивные чёрные дыры – не будет исключением и наша галактика, содержащая чёрную дыру массой в четыре миллиона солнечных. Измерить её можно практически напрямую, наблюдая вращение известных звёзд вокруг точки, не излучающей свет. При этом для существования этих орбит требуется наличие массы в 4 000 000 солнечных.

Нужно помнить, что в нашей галактике от 200 до 400 миллиардов звёзд, так что масса нашей чёрной дыры составляет около 0,1% от всей массы галактики. Это малая часть, но большая цифра. А теперь представьте, что наша галактика не находится в числе крупных, и наша чёрная дыра находится в конце списка сверхмассивных.

Существуют огромные галактические монстры и крупнейшим из ближайших к нам будет Messier 87, гигантская галактика в центре скопления Девы.

Это крупнейшая из ближайших галактик, с массой, превышающей в 200 раз массу нашей. Вам может показаться странной выходящая из неё «линия». Насколько нам известно, это релятивистская струя материи длинной в 5000 световых лет, исходящая из центра галактики! Единственный известный нам объект, способный произвести такое явление, это сверхмассивная чёрная дыра, ощутимо большая по размеру, чем та, что находится в центре нашей галактики.

Если нам нужно измерить массу этой чёрной дыры, лучше обратиться к рентгеновским снимкам космического телескопа Чандра.

Самые свежие измерения показывают, что в галактике есть сверхмассивная чёрная дыра массой в 6,6 миллиардов солнечных – удивительное число, в 1500 раз большее, чем масса гиганта в центре нашей галактики! Это можно подтвердить измерениями струи в радиодиапазоне, проводившимися на VLA.

Что интересно (мне), предыдущая оценка массы центральной чёрной дыры исходила от измерения вспышек в центре M87, что дало массу в 6,4 миллиарда солнечных. Иначе говоря, мы неплохо разбираемся в происходящем там!

Но пока вы не решили, что Messier 87 представляет собой какую-то ненормальную аномалию, давайте я покажу вам большую часть скопления Девы.

Кроме M87 там есть другие гигантские эллиптические галактики примерно на том же расстоянии, включающие M84, M49 и M60, в каждой из которых есть чёрная дыра массой в более чем миллион солнечных. Считается, что обычно – хотя бывают и варианты – эллиптические и линзообразные галактики формируются через слияние нескольких спиральных, их центральные чёрные дыры также сливаются, и поэтому примерно 0,1% всей массы галактики содержится в центральной чёрной дыре.

Поэтому, можно предположить, что в поисках крупнейшей чёрной дыры нужно изучать крупнейшие галактики. Давайте попробуем!

Это скопление Abell 2029, расположенное на расстоянии 1,07 миллиарда световых лет, или в 20 раз дальше, чем скопление Девы. В его центре находится крупнейшая из всех известных галактик Вселенной: IC 1101. Галактика в наиболее удлинённом направлении простирается на два миллиона световых лет, превосходя во много раз Messier 87, и имеет крупнейшую из известных галактических масс во Вселенной. Она простирается на расстояние, в два раза превышающее расстояние от Млечного пути до Андромеды! Включая тёмную материю, её масса равна 100 триллионам солнечных, или примерно всей суммарной массе скопления Девы. (Если погуглить изображения этой галактики, можно наткнуться на слишком преувеличенные картинки. Будьте осторожны).

А что с её чёрной дырой?

Если бы мы знали… Она слишком далеко от нас, недостаточно активна, и наши сегодняшние космические приборы не обладают достаточной точностью для измерения её параметров. Может быть, когда-нибудь! И если бы я заключал пари, то я готов был бы поставить, что в ней действительно находится крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной.

Это была бы умная ставка, но я не был бы удивлён, если бы я ошибся, и причина возможной ошибки вас удивит!

Это скопление Персея, менее впечатляющее скопление, чем Abell 2029. Большая активная галактика в его центре потрясающая, а выделенная галактика совершенно невзрачная: NGC 1277. Этот кластер находится относительно недалеко от нас, чуть более чем в 200 миллионах световых лет – и расстояние до NGC 1277 весьма типичное, около 220 миллионов световых лет. Это не самая крупная галактика, не самая эллиптическая, не самая массивная, не самая яркая. Вообще, судя по её звёздам и общей массе в 120 миллиардов солнечных, она даже менее массивная, чем Млечный путь!

Но если понаблюдать за газом в её центре (а она расположена достаточно близко от нас, чтобы засечь его), можно увидеть, как он двигается и измерить его кинематику. Чем быстрее повышается скорость по мере приближения к центру, тем лучше можно оценить центральную массу галактики.

В этой галактике должна находиться центральная чёрная дыра с потрясающей массой в 17 миллиардов солнечных, составляющей удивительные 14% от общей массы галактики! Это беспрецедентное число, и это не только самая массивная из всех найденных нами чёрных дыр, но и самый большой процент отношения массы чёрной дыры к галактике. Бывают и другие случаи с довольно большими процентами – NGC 4486B и Henize 2-10 – но эти галактики поменьше.

Поэтому, конечно, возможно, что в крупнейшей галактике Вселенной содержится крупнейшая чёрная дыра, но также возможно, что обладателем рекорда станет непримечательная линзообразная галактика, просто по непонятным пока нам причинам содержащая громадную чёрную дыру!

С другой стороны – в пределах погрешности наших измерений – есть ещё один кандидат на крупнейшую чёрную дыру в известной Вселенной, очень отличающийся от рассмотренной нами NGC 1277.

Видите обозначенную на рисунке точку? Это галактика OJ 287, относящаяся к специальному классу объектов под названием блазары. Это компактные внегалактические источники радиоволн, и одни из самых энергетически мощных объектов Вселенной. Это особый тип квазара – активной галактики – у которого одна из самых мощных релятивистских струй направлена в нашу сторону!

Вспомним, как работают такие объекты, как эти активные галактики: их сверхмассивные чёрные дыры кормятся звёздами, газом и другими космическими объектами. Поскольку они разрывают структуры при помощи гравитации и сильно их ускоряют, едоки из них получаются неряшливые. И хотя это один из основных способов роста чёрных дыр, это же и один из способов, которым Вселенная сообщает нам об их присутствии!

Яркость этого источника периодически меняется – с периодом в 11-12 лет – и он испускает вспышки в узком двойном всплеске, связанном с максимальной яркостью. Он красиво смотрится в радиоволнах и в рентгеновском излучении, и наблюдения совпадают не только с тем, что там находится сверхмассивная чёрная дыра огромных размеров, но и с тем, что вокруг неё по орбитам двигаются сверхмассивные чёрные дыры поменьше.

Эта галактика находится на расстоянии примерно в 3,5 миллиарда световых лет от нас, и содержит, возможно, крупнейшую из известных чёрных дыр массой в 18 миллиардов солнечных. (Но из-за погрешностей измерения результаты сильно перекрываются с NGC 1277). Наиболее потрясающей достопримечательностью этой галактики – и причиной того, что мы можем изучать её центральный регион – является чёрная дыра в 100 миллионов солнечных масс (в 25 раз массивнее чёрной дыры в центре Млечного пути), вращающаяся вокруг ещё большей чёрной дыры!

Система с орбитой в 300 раз большей, чем орбита Плутона вокруг Солнца, совершающая оборот всего за 12 лет, позволит нам – если мы всё правильно вычисляем – провести величайшую проверку общей теории относительности. В то время, как прецессия эллиптической орбиты Меркурия вокруг Солнца составляет 43″ за сто лет из-за релятивистских эффектов (1° равен 3600″), эта меньшая чёрная дыра должна обладать прецессией в 39° за один оборот, и должна по спирали упасть в большую чёрную дыру всего за несколько тысяч лет!

И эти две галактики, ближайшая и мелкая NGC 1277 и очень удалённая OJ 287 содержат крупнейшие из известных нам чёрных дыр во Вселенной. Конечно, бывают чёрные дыры и покрупнее, но чтобы найти их, нам потребуется больше удачи, времени и лучшие радиотелескопы и рентгеновское оборудование.