Звёздные карусели в Hen 2–10

Всем привет, дорогие читатели SE7ENа!

Раньше я уже не раз размышлял на этих страницах о природе объектов, которые находятся в центрах галактик и которые принято называть сверхмассивными чёрными дырами. Увидеть такие объекты напрямую нельзя, и о них мы судим лишь по тому, как они влияют на окружающую среду. Поэтому чёрные дыры в галактических ядрах порой демонстрируют весьма неожиданные свойства. Так, если очень массивная чёрная дыра оказывается в небольшой галактике, она может стать главным «мотором» звездообразования. Об одном из таких необычных объектов я и расскажу ниже. В разных источниках эта галактика фигурирует под названиями Hen 2–10, Henize 2–10, ESO 495–21 и LEDA 2417. Она расположена в созвездии Компаса, примерно в 27 миллионах световых лет (8,24 мегапарсека) от нас.

Карликовая галактика Henize 2–10 получила имя по порядковому номеру в каталоге звёзд и туманностей, который составил Карл Гордон Хенайз (1926–1993). Её поперечник — всего около 3000 световых лет. Для сравнения: диаметр Млечного Пути превышает 100 000 световых лет, а толщина его диска составляет около 1000 световых лет. Однако Hen 2–10 интересна вовсе не своими скромными размерами, а тем, что в её центре, вероятно, скрывается гигантская чёрная дыра. Парадокс в том, что именно этот сверхтяжёлый компактный объект связывают со вспышкой, а то и целой «волной» звездообразования, разворачивающейся в таком крошечном объёме. В англоязычной литературе подобные системы называют «starburst galaxy».

Гипотезы о внутреннем устройстве Hen 2–10

В более крупных галактиках сверхмассивная чёрная дыра действует прямо противоположным образом: она затягивает звёздные системы, как воронка. Вокруг неё возникают магнитные поля и галактические джеты — струи плазмы, которые вырываются перпендикулярно диску галактики со скоростью, близкой к световой. У нашей Галактики джетов нет, зато есть загадочные пузыри Ферми, о которых я уже рассказывал на SE7ENе. В обычной галактике плазма джетов разгоняется настолько, что, несмотря на высокую температуру, уже не способна порождать звёзды. Чёрная дыра в центре Hen 2–10 ведёт себя иначе: ей не хватает энергии для формирования джета, а плотность окружающих газопылевых облаков достаточно велика, чтобы одно лишь вращение вокруг чёрной дыры запускало в них звездообразование.

Таких галактик очень немного, и есть основания считать их реликтовыми. Не исключено, что именно такие крохотные галактики возникали в первый миллиард лет существования Вселенной. Происхождение сверхмассивных чёрных дыр по-прежнему не выяснено (в статье «Заря квазаров» я излагал не самую популярную точку зрения на эту проблему). Возможно, сначала галактики вырабатывают тяжёлые элементы из водорода и гелия, а затем постепенно сносят их в чёрные дыры. По другой версии, сверхмассивные чёрные дыры старше галактик и сами притягивают вокруг себя газопылевые звёздные острова. Наконец, галактика и чёрная дыра могут расти одновременно. Hen 2–10 — совсем небольшая галактика, и она как раз говорит в пользу второй версии: массивная чёрная дыра успела собрать вокруг себя компактную галактику и полностью управляет её жизненным циклом. Впрочем, как я писал в статье о Cloud-9, реликтовые беззвёздные облака, по размеру сопоставимые с галактиками, могут не только не иметь чёрных дыр, но и почти не содержать звёзд.

Возникновение таких карликовых галактик хорошо вписывается в картину расширяющейся Вселенной. Количество вещества в форме протонов, нейтронов и нейтрино остаётся неизменным (если не учитывать аннигиляцию), тогда как сама ткань пространства-времени растягивается. Следовательно, в начале времён вещество во Вселенной было сосредоточено плотнее, чем сегодня. Это вполне могло стимулировать бурное звездообразование — те самые «вспышки», о которых говорит термин «starburst galaxy» — внутри небольших галактик.

В центре большинства галактик находится активный источник радиоизлучения, который связывают с присутствием сверхмассивной чёрной дыры. В Млечном Пути он носит название «Стрелец А*». Его масса — около 4 миллионов масс Солнца, причём примерно три четверти приходится на внешние оболочки, а 1 миллион солнечных масс — на саму чёрную дыру. Согласно оценке, опубликованной в октябре 2016 года, масса аналогичного источника в центре Hen 2–10 составляет почти 75% от массы Стрельца A*.

Подобный объект называют активным ядром галактики (АЯГ). Это естественная лаборатория, на примере которой можно изучать, как формируются звёздные ясли и сверхмассивные чёрные дыры. По-видимому, в молодой Вселенной эти процессы были тесно связаны друг с другом.

Откуда берутся сверхмассивные чёрные дыры

Напомню, какие теории образования сверхмассивных чёрных дыр сегодня считаются наиболее правдоподобными.

1. Такая чёрная дыра могла возникнуть так же, как и обычная чёрная дыра звёздной массы, — как остаток взрыва сверхновой. Если на раннем этапе эволюции галактик в небольшом объёме взорвалось сразу несколько сверхновых, их вещество могло стать «зародышем» сверхмассивной чёрной дыры.

2. Возможно, в ранней Вселенной появлялись звездоподобные объекты размером с современную малую галактику, и термоядерная реакция протекала в масштабах целого «звёздного острова». Об этих объектах я уже писал на SE7ENе в статье «Звездогалактики, или История о третьем населении».

3. Крупное звёздное скопление способно превратиться в сверхмассивную чёрную дыру, если на каком-то этапе его развития молодые звёзды окажутся настолько плотно сосредоточены, что вокруг них успеет образоваться горизонт событий. Это явление называется гравитационным коллапсом (в недавней статье на SE7ENе уважаемый Олег Антипов @olegantipovDDG рассказал, как гравитационный коллапс приводит к появлению сингулярностей).

Сегодня ни одна из этих теорий не может считаться доминирующей, поскольку смоделировать такие события крайне трудно. Но Hen 2–10 максимально приближена к «лабораторному образцу»: она дожила до наших дней маленькой и не вошла в состав более крупных спиральных галактик (о механизмах подобных слияний и о грядущем сближении Млечного Пути с Андромедой я рассказывал в статье «За три миллиарда лет до зарождения Милкомеды»). Следовательно, чёрные дыры в малых галактиках должны быть ближе всего к тем, что существовали в ранней Вселенной.

При изучении сверхмассивных чёрных дыр всё больше внимания уделяют их джетам. Поскольку джет можно наблюдать в разных диапазонах спектра, по нему удаётся судить о физических свойствах чёрных дыр. Так, уважаемый @SLY_G рассказывал на SE7ENе, что именно по джету удалось установить: чёрная дыра в центре галактики М87 вращается. Действительно, чёрная дыра накапливает массу подобно воронке, но значительная доля звёздного вещества уносится за пределы галактики струями джета. В Hen 2–10 джет, по всей видимости, тоже есть, однако эффект от него иной: его энергия подпитывает звездообразование внутри самой галактики.

Альтернативные объяснения: что ещё может скрываться в Hen 2–10

Вероятное строение Hen 2–10 описывала в работах 2011 и 2016 годов группа под руководством Эми Рейнс с кафедры астрономии Виргинского университета; в неё также входили Келси Джонсон и Кристал Броган из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлотсвилле (штат Виргиния). Позднее эти гипотезы не раз пересматривались, и среди новых работ я особенно выделил бы статью «Revisiting the Gas Dynamics of Henize 2–10: Possible Drivers of the Starburst», подготовленную под руководством всё той же Келси Джонсон. Дело в том, что с уверенностью мы можем говорить лишь о наличии мощного компактного радиоисточника в центре Hen 2–10, но это необязательно сверхмассивная чёрная дыра. Какие ещё экзотические объекты могут там находиться?

Во-первых, это может быть скопление мелких чёрных дыр звёздных масс, которые пока не успели слиться в одну. Во-вторых, поскольку галактика излучает в рентгеновском диапазоне сильнее, чем в радиодиапазоне, перед нами может оказаться рентгеновская двойная или микроквазар, которые существуют так долго благодаря тому, что окружены галактикой, словно оболочкой. Микроквазары, первый из которых был обнаружен в 1978 году, в отличие от обычных квазаров, расположены сравнительно близко к нам. Первый такой объект, получивший обозначение SS-433, находится в созвездии Орла на расстоянии 18–19 тысяч световых лет, тогда как до полноценных квазаров — миллиарды или, по меньшей мере, сотни миллионов световых лет. Почему квазары расположены так далеко, я рассуждал в статье «Заря квазаров». В отличие от чёрной дыры, микроквазар не обязан иметь горизонт событий (теоретически он может скрываться в глубине объекта, но не на поверхности), при этом он очень ярок и потому удобен для наблюдений. Подробнее об этом объекте на SE7ENе писала уважаемая @ancotir.

В-третьих, раз компактный источник питает активное звездообразование по всей толщине галактики, в её центре может находиться колоссальная звёздная колыбель. Она способна быть заполнена сверхновыми типа Ia, в которых белый карлик оттягивает на себя вещество голубого гиганта.

Получается, что в центре Hen-2 могут сосуществовать сверхновые, находящиеся на стадии «созревания», и остатки уже взорвавшихся. По некоторым оценкам, в объёме диаметром 3000 световых лет может находиться до 15 таких готовящихся к взрыву сверхновых (оценка основана на суммарной мощности наблюдаемого радиоисточника). Продолжая аналогию с естественной лабораторией, можно предположить, что в этой галактике складываются уникальные условия для интерференции гравитационных волн от множества источников одновременно, а также для синтеза сверхтяжёлых химических элементов, например суперактиноидов.

Заключение

Идея этой статьи родилась после одной из бесед с уважаемым @dionisdimetor, который в своём блоге на SE7ENе и в регулярных подкастах исследует масштабные философские вопросы, в частности идеи о Мультивселенной и квантовой природе информации. Мой собеседник спросил, можно ли, на мой взгляд, извлекать энергию из чёрной дыры. Представленный здесь рассказ об удивительных свойствах Hen 2–10, пожалуй, позволяет ответить на этот вопрос утвердительно. Компактный источник в центре этой галактики, чем бы он ни оказался, не только превращает энергию в целые рои молодых звёзд, но и удерживает её от утечки за пределы галактики. Если же этот источник — не чёрная дыра, а микроквазар или иной экзотический объект, то извлекать из него энергию должно быть ещё проще и эффективнее, чем пытаться работать с чёрной дырой звёздной массы. Надеюсь, что возможность использования такого астрогенератора удастся проверить хотя бы на компьютерных моделях.

Источник