Черная дыра остановила рост галактики мощным выбросом газа

Астрономы разглядели грандиозный катаклизм, охвативший далекую галактику 10 миллиардов лет назад. Мощнейшее истечение вещества от центральной черной дыры остановило рост целой звездной системы.

Когда читаешь старые статьи и мемуары известных ученых, то с удивлением осознаешь, что менее полувека назад черные дыры казались астрономам (и не только) чем-то чуть большим, чем математический трюк. Сейчас уже почти никто не сомневается, что они существуют в природе, имеют уйму астрономических проявлений и оказывают заметное влияние на многие процессы, происходящие на небе.

Дыры разные важны

Дошло до того, что если попросить астронома рассказать о черных дырах, он может попросить уточнить вопрос. Объекты эти настолько разнообразны, что ученые уже успели поделить их на отдельные классы – то ли на два типа, то ли на три, то ли на два с половиной. Точно есть черные дыры звездных масс, образующиеся в конце эволюции очень тяжелых звезд; надежных кандидатов на их роль астрономам известно несколько десятков. Похоже, есть черные дыры промежуточных масс, в сотни и тысячи раз тяжелее Солнца, хотя пока их известно немного.

И есть, наконец, самый многочисленный класс – сверхмассивные черные дыры, которые в миллионы и даже миллиарды раз массивнее нашего светила. Таких известно многие тысячи, находят их в центральных областях галактик (в том числе и в нашей -- Млечном Пути). И, похоже, что они есть у всех крупных галактик (ну или почти у всех). Именно из-за них ядра многих галактик проявляют активность – например, ярко светятся в рентгеновском диапазоне, извергают огромные струи вещества, которые светят в радиодиапазоне на миллионы световых лет вокруг.

Привычка к существованию черных дыр не лишает ученых радости удивляться их свойствам. Например, когда астрономы научились измерять массы дыр в центрах далеких галактик, выявилось множество удивительных закономерностей, связывающих их свойства со свойствами галактик в целом – их строением, массой звезд, светимостью.

Яйцо не курица

Например, большинство дыр весят в 200-300 раз меньше сфероидального сгущения звезд в центре галактики. Не без исключений, конечно (например, «наша» черная дыра с массой в четыре миллиона солнечных аномально легкая для такой большой галактики, как Млечный Путь), но корреляция наблюдается довольно четкая. Каким-то образом центральное тело, которое весит меньше процента от полной массы окружающих его звезд и занимает совершенно ничтожную часть объема галактики, умудряется влиять на поведение огромного звездного коллектива.

Происхождение этой странной зависимости до сих пор остается загадкой, разрешение которой чем-то сродни задаче о примате яйца над курицей. Возможно, строение звездной сферы как-то определяет, сколько газа и звезд может поглотить черная дыра за время ее существования. Но тогда непонятно, почему соответствующие корреляции наблюдаются на протяжении всей видимой истории Вселенной, как бы глубоко мы ни заглядывали в прошлое нашего мира.

Возможно, наоборот, черная дыра как-то ограничивает рост звездного населения – например, выметая газ, из которого рождаются звезды, из центральных областей галактики. В принципе, черные дыры, когда пожирают вещество, и вправду выделяют огромное количество энергии – газ, прежде чем быть проглоченным, разгоняется до огромных скоростей и разогревается до гигантских температур. Но эта энергия выделяется в виде света, так что ее влияние на газ может быть не прямым, а опосредованным (например, она может греть газ и тем самым затруднять сжатие отдельных облаков в звезды). А может и напрямую – например, превращаясь в механическое движение газа.

Разреженное бегство

Астрономам из Великобритании, США и Франции удалось разглядеть прямое свидетельство глобального движения газа в очень далекой галактике, свет от которой шел к нам десять миллиардов лет – с эпохи, когда Вселенная была в три раза меньше, чем сейчас. Ученые смогли заметить движение огромной массы разреженного газа, охватившего всю галактику SMM J1237+6203, расположенную в направлении созвездия Большой Медведицы.

Внимательно изучив данные, полученные с помощью панорамного спектрографа NIFS на гавайском 8-метровом телескопе Gemini, ученые выяснили, что галактика умудрилась передать окружающему ее газу порядка 10⁵⁹ эрг энергии. Соответствующая оценка приведена в статье, опубликованной в британском Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и доступной в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

При этом ученые уверены, что речь идет именно о движении огромной массы очень разреженного газа, захватившем всю галактику, а не о каких-то массивных и плотных облаках, которые могли бы выглядеть так же. Дело в том, что данные свои исследователи основали на изучении зеленой линии дважды ионизированного кислорода [OIII] на длине волны 500,7 нм (которая, впрочем, к моменту регистрации ее телескопом удлинилась втрое за счет расширения Вселенной за время путешествия света). Такое излучение возникает только при очень низкой плотности.

Против силы тяжести

10⁵⁹ эрг – это безумно большая величина, эквивалентная взрыву миллиардов сверхновых или миллиардов триллионов триллионов суммарных ядерных потенциалов всех стран Земли. Но что самое примечательное – данная энергия очень близка к гравитационной энергии всей сфероидальной компоненты далекой галактики. А значит, какие-то процессы в центральной части галактики и впрямь способны противостоять огромной силе взаимного тяготения составляющих ее газа, звезд и всего прочего.

«Получается, что галактика управляет своим собственным ростом, не позволяя рождаться новым звездам, – говорит ведущий автор статьи Дейв Александр из британского университета Дарема. – Теоретики давно предсказывали что-то подобное, но лишь теперь нам удалось запечатлеть эту деятельность «живьем». Мы полагаем, что такие гигантские истечения вещества останавливали в далеком прошлом Вселенной рост многих галактик».

Впрочем, из работы напрямую не следует, что разгоняет эти течения центральная черная дыра, как того бы хотелось многим специалистам. В принципе, ту же самую энергию могут впрыскивать в газ и взрывы многочисленных сверхновых и даже давление звездного ветра всех светил, составляющих далекую и молодую, но уже гигантскую галактику. Правда, при измеренной энергетике этого процесса альтернативные варианты уже не кажутся особо реальными, и черная дыра теперь – главный подозреваемый. Если, конечно, мы не упускаем чего-то еще более важного; в науке такое иногда случается.