Спросите Итана №15: Самые большие чёрные дыры во Вселенной

Лишь спускаясь в бездну, мы познаём драгоценности жизни. Где вы споткнётесь, там и найдёте свою драгоценность.
— Джозеф Кэмпбел

Читатель спрашивает:

Наблюдая за удалёнными квазарами мы видим их сверхмассивные чёрные дыры, массою в 10⁹ солнечных. Каким образом им удаётся достигать такого размера за такое короткое время?

http://geektimes.ru/post/258170/
Эта проблема более сложна, чем кажется на первый взгляд. Начать нужно с астрофизики.



Вы, возможно, уже знаете, что звёзды бывают разных размеров и цветов, с разным сроком жизни и массы, и что все эти свойства связаны друг с другом. Чем больше звезда, тем больше ее ядро, в котором, согласно принципам ядерного синтеза, сгорает её топливо. Это значит, что более массивные звезды горят более ярко, при более высоких температурах, у них больше радиус и сгорают они тоже быстрее.



Если звезде, вроде нашего Солнца, может потребоваться больше десяти миллиардов лет, чтобы сжечь все её топливо в ядре, то звёзды могут быть в десятки и даже сотни раз массивнее нашего Солнца, и вместо миллиардов лет они могут синтезировать весь водород в ядре в гелий за несколько миллионов, а в некоторых случаях, даже за несколько сотен тысяч лет.



Что случается с ядром, когда оно сжигает свое топливо? Надо учесть, что энергия, освобождающиеся при этих реакциях — это единственное, что сдерживает ядро против огромной силы гравитации, которая постоянно работает над сжатием всей материи в звезде в наименьший возможный объём. Когда эти реакции синтеза останавливаются, ядро быстро сжимается. Скорость сжатия имеет значение, потому что, если сжимать материю медленно, температура будет оставаться постоянной, но у неё будет увеличиваться энтропия; а если сжимать её быстро, то энтропия будет постоянной, а температура будет увеличиваться.



В случае массивных звёзд увеличение температуры означает, что звезда может начать синтезировать всё более и более тяжелые элементы, начиная от гелия, проходя через углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, серу, и в конце концов подходя к железу, никелю и кобальту. Заметьте, что эти элементы формируются с увеличением ядерного числа на 2, из-за того, что гелий соединяется с существующими элементами. И когда вы доходите до железа, никеля и кобальта, самых стабильных элементов, то дальнейший синтез становится невозможным, и ядро взрывается наружу, превращаясь в сверхновую 2-го типа.
http://www.youtube.com/watch?v=5VnJ9pRR8-8

Если это происходит не в очень массивной звезде, вы получите ядро нейтронной звезды. А если вы возьмете более массивную звезду, с более тяжёлым ядром, то она не выдержит гравитации и создаст внутри себя чёрную дыру. Звезда размером в 15-20 раз больше Солнца, скорее всего, создаст чёрную дыру в центре после своей смерти. А более массивные звёзды будут создавать более массивные чёрные дыры. Можно представить себе огромное количество достаточно массивных звёзд, из которых рождаются черные дыры, находящиеся в ограниченном пространстве. А затем эти чёрные дыры объединяются вместе со временем, или же происходит как объединение чёрных дыр, так и пожирание ими звёздной и межзвёздной материи, что, по нашим наблюдениям, тоже случается.



К сожалению, это происходит не настолько быстро, чтобы совпасть с нашими наблюдениями. Видите ли, если звезда становится слишком массивной, внутри неё не появится черная дыра! Если наблюдать за звездами массой от 130 солнечных, то внутренности звезды становятся настолько горячими, и в них содержится столько энергии, что высокоэнергетические частицы, появляющиеся там, могут формировать пары материя-антиматерия в виде позитронов и электронов. На первый взгляд, в этом нет ничего страшного, но вспомните, что происходит в ядрах этих звезд: всё, что удерживает их от коллапса, это давление, оказываемое изнутри изучением, происходящим от ядерного синтеза. А когда начинают появляться пары электронов и позитронов, они исключаются из присутствующего излучения, что приводит к уменьшению давления на ядро изнутри. Такие вещи начинаются уже у звёзд массой от 100 солнечных, но если вы дойдёте до массы в 130 солнечных, давление уменьшается настолько, что звёзды начинают коллапсировать — и очень быстро!



Ядро разогревается, а в нём содержится большое количество позитронов, которые аннигилируют с обычной материей и производят гамма-излучение, которое ещё больше разогревает ядро. В конце концов, у вас получается нечто настолько энергичное, что это разрывает всю звезду в клочья, очень ярким и красивым образом. Так получается сверхновая нестабильных пар. Это не только уничтожает внешние слои звезды, но и само ядро, и после этого взрыва не остается совсем ничего!

Даже без учёта достаточно больших черных дыр, быстро сформировавшихся в нашей Вселенной, мы всё равно можем получить сверхмассивные черные дыры — такие, как та, что находится в центре нашей галактики. У неё, судя по орбитам звёзды, вращающихся вокруг, масса составляет несколько миллионов солнечных масс.



Но таким способом нельзя получить чёрные дыры, весящие миллиарды солнечных масс, как та, что находится в достаточно недалекой от нас галактике Messier 87.



То, о чём спрашивает читатель, это сверхмассивные чёрные дыры, весящие порядка несколько миллиардов солнечных масс. И они обнаруживаются с большим красным смещением, что говорит о том, что они уже очень давно были очень большими.

Можно подумать, что во Вселенной с самого начала уже были такие огромные чёрные дыры, но это не соответствует тому, что мы знаем о молодой вселенной по спектральной мощности материи и из фонового космического излучения. Откуда бы ни появились эти сверхмассивные чёрные дыры, маловероятно, что они были здесь с самого начала — но сейчас их можно найти даже в очень молодых галактиках!



Значит, если обычные звёзды не могут произвести такие чёрные дыры, и Вселенная не родилась вместе с ними,- откуда же они взялись?

Оказывается, что звезды могут быть даже ещё более массивными, чем те о которых мы уже говорили. И когда они достигают огромных масс, то появляется новая надежда. Давайте вернёмся к первым звёздам, сформировавшимся во Вселенной из доисторических водорода и гелия – газов, которые тогда существовали, всего лишь через несколько миллионов лет после Большого взрыва.



Есть много доказательств, указывающих на то, что в то время звёзды формировались в крупных регионах — не так, как сегодняшние звёздные кластеры в нашей галактике, содержащие несколько сотен или тысяч звёзд. Тогда большие скопления содержали миллионы или даже больше звёзд. Если мы посмотрим на ближайший к нам и крупный регион формирования звёзд в туманности Тарантул, находящейся в Большом Магеллановом облаке, мы сможем понять, что происходит.



Этот район космоса имеет 1000 световых лет в поперечнике. В его центре есть огромная область, где формируются новые звезды — R136. Она содержит новые звёзды, чья масса в сумме составляет около 450000 солнечных масс. Этот комплекс активен, там формируются новые массивные звезды. А в центре центрального региона можно обнаружить кое-что действительно уникальное: самую массивную из всех известных звёзд во Вселенной!



Самая большая звезда в этом районе в 265 раз тяжелее Солнца, и это очень примечательное явление. Вспомним, что я говорил о сверхновых нестабильных пар, и как они уничтожают звёзды, которые тяжелее 130 солнечных масс, и не оставляют после себя чёрные дыры. Эта формула работает до определённого момента — только для звёзд, у которых масса больше 130 солнечных, но меньше 250 солнечных. А если масса увеличится ещё больше, мы будем получать гамма-излучение такой силы, что будет происходит фотоядерная реакция — когда гамма-лучи охлаждают внутренности звезды, выбивая тяжёлые ядра и превращая их в свет.



Если звезда обладает массой более 250 солнечных масс, она полностью сколлапсирует в черную дыру. Звезда массой 260 солнечных масс может создать чёрную дыру массой 260 солнечных. Звезда в 1000 солнечных масс создаст чёрную дыру массой 1000 солнечных масс. И поскольку мы можем сделать звёзды с огромными массами в нашем изолированном уголке космоса, то мы можем сделать эти объекты в то время, когда Вселенная была молодая. И мы, скорее всего, сделали достаточно большое количество этих объектов – а ведь они ещё будут объединяться.
http://www.youtube.com/watch?v=GVds0q0y5RM
А если можно создать район, где образовалась массивная чёрная дыра в несколько тысяч солнечных масс всего лишь через несколько миллионов или десятков миллионов лет после Большого взрыва, то быстрое объединение и аккреция этих регионов, где формируются звёзды, наводит на мысль о том, что эти ранние большие черные дыры однозначно объединялись бы друг с другом. Через короткое время они сформировали бы всё большие и большие чёрные дыры в центрах этих регионов, которые затем превратились в первые гигантские галактики Вселенной.



Этот рост, продолжающийся во времени, легко может привести нас к скромным прикидкам о чёрных дырах массой в несколько сотен миллионов солнц, которые может породить галактика размером с Млечный путь. Нетрудно представить, что более массивные галактики и нелинейные эффекты могут увеличить вероятные массы чёрных дыр до миллиардов солнечных масс без всяких проблем. И хотя мы не знаем точно, но насколько мы можем судить, исходя из тех знаний, которые у нас есть – именно так и появляются сверхмассивные чёрные дыры.