— Почему черные дыры настолько популярны в культуре?
— Очевидно, из-за своих суперэкстремальных свойств. Рядом с ними сумасшедшие физические условия: огромные плотности, гравитационные силы притяжения, магнитные поля, замедление времени.
— Как современная наука оценивает черные дыры?
— Первое — мы уже [более] 100 лет знаем общую теорию относительности.
Эта теория описывает тяготение особым образом. Предложена Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Согласно этой теории, гравитация представляет собой не силу, а кривизну пространства-времени: огромные объекты искривляют реальность вокруг себя в зависимости от своей массы.
И в том, что она работает, нет никаких сомнений. Например, чтобы правильно пользоваться данными навигационных спутников типа GPS, ГЛОНАСС, надо учитывать эффект общей теории относительности в гравитационном поле Земли.
Но эта теория Эйнштейна описывает наш мир на больших пространственных и временных масштабах. В том числе как расширяется наша Вселенная.
А с другой стороны, тоже уже больше 100 лет мы знаем квантовую механику. И она замечательно описывает микромир. В черной дыре эти две теории каким-то образом уживаются между собой, но мы пока не знаем как.
Внутреннее устройство черной дыры называется сингулярность. Сейчас считается, что все, что в нее попадает, достигает в результате центральной точки, и там формально должно быть все бесконечно: плотность, гравитация, кривизна пространства. Происходит какое-то смешение пространства и времени.
Это что-то совершенно непонятное. Что это, мы пока понятия не имеем, и для этого нужно объединить между собой эти две теории: общую теорию относительности и квантовую механику. Теоретики пытаются это делать, разрабатывают так называемую теорию квантовой гравитации. Но пока это, на мой взгляд, робкие попытки.
— Что нового изобрело человечество для изучения черных дыр?
— В последние 10 лет появилась гравитационно-волновая астрономия. Строят специальные установки, в которых «бегает» луч большого лазера. Они способны регистрировать колебания нашей Вселенной как единого целого. Если где-то произошло что-то экстремальное, например слились две черные дыры, то оттуда даже с огромного расстояния по всей нашей Вселенной идет «рябь».
Оказывается, эту «рябь» мы можем зарегистрировать даже на Земле. Сейчас таких событий уже около 400.
— В центре любой галактики есть черная дыра?
— Считается, что да. Например, наша галактика Млечный Путь — типичная во Вселенной. Существование черной дыры в ее ядре надежно подтвердили наблюдения последних 30 лет.
Две группы ученых использовали для этого самые большие наземные оптические телескопы — Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили и обсерватории Кек на Гавайях. Они увидели, что в центральной области нашей галактики очень много звезд и они все время движутся, но не случайно, а по строгим эллиптическим траекториям, вокруг тяжелого тела.
За это [открытие] в 2020 году присудили Нобелевскую премию руководителям этих двух групп. (Также в 2020 году математик Роджер Пенроуз стал лауреатом Нобелевской премии по физике «за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности» — прим. ТАСС).
Еще было громкое открытие последних 10 лет, когда увидели в радиодиапазоне тень черной дыры, которую огибают лучи горячей плазмы.
— Что наука знает про «нашу» черную дыру?
— Когда мы построили карту всего неба в рентгеновских лучах с помощью снимков обсерватории «Спектр-РГ», то увидели потрясающую вещь.
Есть диск — это Млечный Путь, и перпендикулярно ему, строго от центральной точки, где находится черная дыра, мы видим два огромных пузыря горячей плазмы, которые испускают рентгеновские лучи.
Это плазма с температурой десятки миллионов градусов, которая «натекла» за миллионы лет на расстояние, сравнимое с размером нашей галактики, только в перпендикулярном направлении. Из-за такой высокой температуры плазма дает много рентгеновского излучения.
Что-то приводило к выбросу большой энергии. Она разогревала до очень высоких температур окружающий холодный газ, из-за этого он уже не мог удерживаться гравитационным потенциалом нашей галактики. Пока еще не доказано, что это энерговыделение было связано с какими-то эпизодами аккреции (захвата и падения — прим. ТАСС) вещества на «нашу» черную дыру. Прямо сейчас она не дает мощного излучения, но за последние несколько миллионов лет с ней что-то происходило.
— Это можно назвать космической археологией?
— Да, мы исследуем то, что происходило несколько миллионов лет назад.
Еще интереснее, когда находят в ранней Вселенной квазары. (Активные ядра галактик, выделяющие колоссальное количество энергии — прим. ТАСС.) Чем дальше объекты во Вселенной, тем дальше мы заглядываем в прошлое.
Вся наша Вселенная расширяется по закону Хаббла. (Фундаментальный космологический закон, гласящий, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она отдаляется — прим. ТАСС.)
И когда мы открываем какой-то квазар на очень большом красном смещении — это сдвинутые линии в спектре, — это говорит нам, что объект находится очень далеко от нас, свет от него шел очень долго, и родилось это излучение в ту эпоху, когда нашей Вселенной было гораздо меньше лет, чем сейчас.
Например, в рентгеновских лучах, опять же с помощью обсерватории «Спектр-РГ», мы какое-то время назад открыли несколько квазаров на красном смещении в районе шестерки.
— Что это значит?
— Это значит, что мы видим эти объекты в момент, когда возраст Вселенной составлял примерно 1 млрд лет. А ее текущий возраст — почти 14 млрд лет.
Это супермощные квазары, они в секунду выделяют энергии больше, чем любые активные ядра галактик. «Поближе» к нам во Вселенной таких объектов просто нет. Более того, в последние годы с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» в инфракрасном диапазоне энергии стали находить квазары на еще больших красных смещениях, вплоть до десятки. А красное смещение 10 — это возраст Вселенной меньше 500 млн лет.
Однако сам факт, что вы видите объект с такой огромной светимостью, то есть мощностью излучения, говорит о том, что эта черная дыра уже имеет массу порядка 1 млрд масс Солнца, а может быть, и больше. Как она выросла за такое короткое время?
— 500 млн лет — не так уж и мало…
— До недавнего времени доминировала точка зрения, что первые сверхмассивные черные дыры возникли следующим образом: в ранней Вселенной, может быть, когда ее возраст был порядка 100 млн лет, в ней появились первые галактики и первые звезды.
Раньше они не могли появиться, потому что возникли из-за того, что были случайные колебания плотности [вещества], и за счет гравитационной неустойчивости они в каких-то местах «схлопывались».
Температура объекта росла, «зажигался» водород. Возникала звезда. Теоретически эти первые звезды не могли быть больше сотни, может быть, нескольких сотен масс Солнца. Первые звезды могли появиться где-то спустя, может быть, 100 млн лет после Большого взрыва, а потом, когда в них сгорело это «топливо», из них могли получиться первые черные дыры.
Если вокруг такой черной дыры, пока еще не очень большой, было много межзвездного газа, он начинал «падать» в эту черную дыру, она росла.
Казалось бы, если вокруг достаточно много газа, в итоге получится очень большая черная дыра со сколь угодно большой массой, если хватит окружающего вещества. Но оказывается, невозможно таким образом «выращивать» черную дыру очень быстро.
Потому что, если вы начнете сбрасывать на нее слишком много вещества, она начнет выделять столько энергии, что это электромагнитное излучение начнет своим давлением его отталкивать. Это называется давление света.
И если не выдумывать что-то очень сложное, а идти по такому понятному сценарию, вы не можете наращивать массу черной дыры быстрее, чем примерно в два раза за каждые 50 млн лет.
Получается, если вы в очень ранней Вселенной сделали какую-то маленькую черную дыру, а хотите, чтобы из нее получилась черная дыра массой 1 млрд масс Солнца, когда возраст Вселенной 500 млн лет, вам надо сделать 20 таких удвоений массы, каждое занимает 50 млн лет. В сумме нужен, грубо говоря, 1 млрд лет, а у вас его нет. [На момент образования первых сверхмассивных черных дыр] возраст Вселенной был меньше.
Наверное, каким-то образом эти массивные черные дыры образовались в ранней Вселенной напрямую. То есть с самого начала была черная дыра массой не 100, например, масс Солнца, а 10 тыс. или 100 тыс.
Как получить с самого начала черную дыру массой 10 тыс. масс Солнца вместе со Вселенной? Предлагают разные сценарии, но они пока на уровне гипотез.
— Какие еще загадки преподносят ученым черные дыры?
— Телескоп «Джеймс Уэбб» в последние годы стал открывать суперзагадочные объекты. Их назвали «маленькие красные точки».
Дело в том, что на изображениях, которые телескоп строит в инфракрасном диапазоне, практически в любой части неба видны очень компактные объекты. Мы можем получить спектр их излучения, в нем видим какие-то характерные эмиссионные линии, по ним измеряем красное смещение, и оказывается, что это тоже далекие объекты, такие же далекие, как огромные квазары, про которые я рассказывал.
Но это не квазары. Это что-то другое. По их спектральным свойствам — это сверхмассивные черные дыры, то есть на них тоже идет аккреция. Но мы практически не видим вокруг этих черных дыр галактик.
По идее, вокруг любой такой сверхмассивной черной дыры должна быть галактика, достаточно протяженная, ее можно было бы разглядеть как пятнышко на этих изображениях.
Такое ощущение, что черная дыра уже выросла, а окружающая ее галактика находится в каком-то зачаточном состоянии. Почему так получилось и как — это большая загадка. Вопрос будущего.