Черные дыры могут стать очень большими. Но насколько? Возможно, они будут в триллион раз массивнее Солнца. Это в 10 раз больше, чем самая большая из известных пока черных дыр.
Могут ли эти монстры действительно существовать в нашей Вселенной? Команда исследователей разработала план охоты на них. И если они существуют, они могут помочь нам разгадать загадки того, как первые звезды появились в космосе.
Если вы хотите найти черные дыры во Вселенной, к сожалению, у вас есть только два основных размера: маленький и гигантский.
Поскольку черные дыры рождаются в результате смерти массивных звезд на заключительных стадиях взрыва титанической сверхновой, а массивные звезды должны быть настолько большими, чтобы стать полностью сверхновыми, самые маленькие черные дыры примерно в пять раз массивнее нашего Солнца.
Благодаря слияниям с другими черными дырами и медленному питанию любыми случайными кусочками газа, которые блуждают слишком близко к их вечно голодным ртам, эти черные дыры могут увеличиваться. Мы видели доказательства существования черных дыр, масса которых почти в 100 раз превышает массу Солнца.
Черные дыры звездных масс невероятно распространены во Вселенной - их, вероятно, сейчас плавают миллионы вокруг галактики Млечный Путь. Они довольно безобидны, если не подойти к ним слишком близко. То же самое и с любой другой случайной галактикой во Вселенной: множество маленьких черных дыр, оставшихся от всех этих больших красивых звезд.
Но в центрах галактик есть нечто еще более безумное: сверхмассивные черные дыры. У нас есть сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, и мы называем ее Стрелец A *. Его масса примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Они в тысячу раз массивнее своих звездных собратьев.
Кажется, что почти каждая галактика содержит гигантскую черную дыру в своем сердце, причем самые большие черные дыры за всю историю наблюдений склоняются к почти 100 миллиардам солнечных масс.
Астрономы давно охотятся за выбросами: черными дырами меньше пяти солнечных масс или между звездным и сверхмассивным размером черной дыры. Но новое исследование ставит вопрос совершенно иного рода: что, если мы возьмем самые большие черные дыры и увеличим их до 11?
Этот совершенно новый класс черных дыр затмил бы сверхмассивные. Эти «невероятно большие черные дыры» начнутся с триллиона солнечных масс (в 10 раз больше, чем самая большая из ныне известных черных дыр) и, возможно, могут быть даже больше.
Понятно, что эти монстры будут редкостью. Нашей Вселенной сложно создавать большие объекты, потому что нужно склеить кучу материала, чтобы он успокоился и оставался на месте, а материя на самом деле не любит этого.
Тем не менее, существование этих зверей теоретически возможно. И если мы их найдем, это поможет объяснить, сколько типов черных дыр образуется.
Первая черная дыра появилась, когда Вселенная была очень молодой, менее миллиарда лет. В течение эонов они сливались, питались и росли, став сверхмассивными черными дырами и, возможно, невероятно большими черными дырами. Но есть предел тому, насколько быстро они могут расти. Чтобы расти за счет слияний, им на самом деле нужно столкнуться с другими черными дырами и проглотить их. Так что, если вокруг не так много других черных дыр, слияния не будут происходить очень часто, и это не будет жизнеспособным путем к величию.
С другой стороны, черные дыры также могут расти, питаясь материалом. Но по мере того как материал падает к горизонту событий (который считается точкой невозврата) черной дыры, он сжимается и нагревается. Это высвобождает излучение, которое выходит из центральных областей около черной дыры и предотвращает попадание нового газа в черную дыру. Сложная физика падения в черную дыру затем устанавливает верхний предел того, насколько быстро черные дыры могут питаться.
Самые большие из известных черных дыр бросают вызов современным астрофизическим знаниям. Трудно придумать сценарий достаточного количества слияний и достаточной подпитки газа, чтобы превратить крошечную детскую черную дыру в раннюю вселенную в монстров, скрывающихся в ядрах галактик.
Обнаружение невероятно большой черной дыры заставит нас задуматься о новых возможностях рождения черных дыр. Возможно, первые и самые большие черные дыры возникли не в результате смерти массивных звезд. Возможно, они образовались непосредственно в результате коллапса газовых облаков или в результате экзотических процессов в ранней Вселенной. Или что-то еще более странное.
Вот почему открытие невероятно большой черной дыры было бы таким захватывающим: теоретики радостно потирали бы руки, готовые придумать им объяснение.
Но как на самом деле найти супер-гигантскую черную дыру? Новая исследовательская работа дает некоторые идеи о том, как ходить на охоту.
Во-первых, из-за своего огромного размера огромные черные дыры (SLAB) могут действительно влиять на гравитационную эволюцию своих домашних галактик. Даже сверхмассивные черные дыры, какими бы большими они ни были, обычно составляют менее 1% массы их родительских галактик. Но поскольку SLAB больше, они могут начать оказывать гравитационное влияние.
Например, из-за такой сильной гравитации, возникшей в ядре, формы галактик могут быть искажены, или гравитация может изменить способ слияния галактик. Таким образом, SLAB могли объяснить любые забавные вещи на изображениях галактик.
И если SLAB берут начало в экзотической физике чрезвычайно ранней Вселенной, то по мере того, как они заселяют космос и продолжают увеличиваться до колоссальных размеров, они оставят отпечаток в своем окружении. Например, они могут притягивать так много вещества, что влияют на космический микроволновый фон, свет, оставшийся после того, как наша Вселенная впервые стала прозрачной, когда ей было всего 380 000 лет.
SLAB могут накапливать так много вещества и так хорошо поглощать все, что находится поблизости, что даже таинственная темная материя может собираться вокруг них в своего рода ореол. Если темная материя (что бы она ни была) взаимодействует сама с собой, она может испускать очень специфическое излучение.
Таким образом, эти сверхгигантские черные дыры могут быть окружены ореолом высокоэнергетического света, генерируемого темной материей. Пока что мы не знаем, существуют ли SLAB, и все вышеперечисленные методы только наложили ограничения на то, насколько большими они могут быть. В зависимости от вашего выбора модели того, как появились SLAB, наше лучшее предположение состоит в том, что самая большая возможная черная дыра имеет массу около 10 ^ 19 солнечных масс, или в 10 миллиардов миллиардов раз массивнее Солнца. Все, что больше этого, нарушило бы то, что мы уже смогли измерить в космосе. Но это по-прежнему оставляет широко открытый пробел в наших знаниях Вселенной.
