Энергия черной дыры

Не советуем вам заглядывать в бездну, из которой вырывается поток энергии от сверхмассивной черной дыры. Под его напором образуются пузыри горячего газа, энергия которых равна миллиардам взрывов сверхновых. Одиночная черная дыра размером меньше Солнечной системы может определять судьбу целого скопления галактик

Энергия черной дыры

Если представить себе какую-либо обширную область Вселенной, то она будет напоминать карту шоссейных дорог США: галактики будут располагаться вдоль линий, пересекающих межгалактическое пространство, наподобие скоростных автострад, между которыми раскинулись области относительно низкой плотности — космическая окраина. А на перекрестках, где сходятся многочисленные «магистрали», образовались скопления галактик — космические мегаполисы, размеры которых ошеломляют.

Чтобы преодолеть расстояние от Луны до Земли, лучу света потребуется чуть более секунды, от Солнца до нашей планеты — восемь минут, а от центра нашей галактики — 25 тыс. лет. Но и это пустяк по сравнению с тем временем, которое необходимо свету, чтобы пересечь типичное скопление галактик — около 10 млн. лет. Оказывается, скопления галактик — крупнейшие гравитационно связанные объекты во Вселенной. Цепочки галактик между ними могут быть еще большими по размеру, но они не являются едиными и связанными гравитацией.

Галактики и прочее вещество внутри гравитационно связанного скопления находятся в динамическом равновесии: они движутся внутри скопления, но не покидают его пределов, поскольку их удерживает притяжение темной материи. Эта загадочная форма материи проявляет себя только через гравитацию. Взаимодействие компонентов скопления приводит к целому ряду явлений, в которых астрономы только начинают разбираться.

ОБЗОР: ГИГАНТСКИЕ ПУЗЫРИ

  • С помощью рентгеновских и радиотелескопов астрономы открыли гигантские пузыри размером в сотни тысяч световых лет, заполненные быстрыми частицами. Для их формирования требуется энергия, эквивалентная взрыву 100 млн. сверхновых!
  • Не все вещество, падающее на черную дыру, исчезает. Когда горячий намагниченный газ в аккреционном диске движется по спирали к дыре, возникают электромагнитные силы, отбрасывающие часть газа в виде тонкой струи — джета.
  • Струи создают пузыри, разогревая межгалактический газ в скоплении галактик. Этот процесс — лишь часть цикла продолжительностью во многие миллионы лет, которому подчиняется рост гигантских галактик в центрах скоплений.

Как и крупные города на Земле, скопления — нечто большее, чем просто сумма их обитателей. Процессы, происходящие в них, отражаются в более мелких масштабах, влияя на рост галактик и питание сверхмассивных черных дыр в их центрах. В свою очередь, черные дыры, с большой скоростью выбрасывающие огромное количество вещества, могут влиять на эволюцию всего скопления. На первый взгляд это кажется загадочным. Черные дыры в диаметре меньше Солнечной системы, а по сравнению со скоплением галактик они все равно, что горошины в сравнении с Землей. И, тем не менее, они влияют на все скопление.

Дело об исчезновении газа

Это взаимное влияние объясняет некоторые давно подмеченные парадоксы «космических мегаполисов». Один из них — проблема остывающих потоков, возникающих в горячем (миллионы градусов) газе, который заполняет пространство между галактиками в скоплении. Если галактики внутри скопления можно уподобить районам плотной городской застройки, то газ похож на расползающиеся пригороды, вбирающие в себя большую часть населения: масса межгалактического газа заметно превосходит массу всех звезд в галактиках скопления.

Газ, разогретый в основном за счет медленного гравитационного сжатия скопления, излучает в рентгеновском диапазоне. Но поскольку земная атмосфера не пропускает рентгеновские лучи, оптические телескопы его не видят. С помощью рентгеновских космических телескопов астрономы два десятилетия назад заметили, что рентгеновские лучи уносят очень много энергии, и сделали вывод, что газ должен постепенно остывать и собираться в центре скопления. Так появился термин «остывающий поток». На основании данных, полученных рентгеновскими обсерваториями «Эйнштейн» и ROSAT, группа одного из нас (Фабиана) провела вычисления, показавшие, что если потоки сохраняются в течение миллиарда лет, то из собравшегося в центре скопления газа могут родиться триллионы новых звезд. Но наблюдатели напрасно искали массы холодного газа и россыпи новорожденных звезд. Если бы их поглотила черная дыра, то она должна была бы весить столько же, сколько триллионы звезд, но даже самые крупные черные дыры не имеют таковой массы.

Второй из нас (Такер) утверждал, что крупномасштабных остывающих потоков не существует. Он считал, что выбросы энергии из находящейся в центре скопления галактики достаточно нагревают газ, чтобы компенсировать его остывание из-за излучения. Радиоастрономы давно уже получали свидетельства такой активности, но не было ясно, дают ли данные выбросы достаточно энергии, чтобы препятствовать остыванию газа во всем объеме скопления. Поэтому ситуация оставалась парадоксальной: горячий газ в скоплении должен остывать, но конечных продуктов этого процесса не видно.

Решение данной проблемы и стало основной целью двух мощных рентгеновских   телескопов,   запу щенных в 1999 г.: рентгеновской обсерватории «Чандра» (NASA) и спутника XMM-Newton Европейского космического агентства. Поскольку газ в скоплениях излучает энергию довольно медленно, он «помнит» об активных событиях, происходивших в них на протяжении миллиардов лет. Например, он содержит химические элементы и энергию, выброшенные из галактик при вспышках сверхновых. Как археологи, занимающиеся раскопками, астрономы с помощью новейших телескопов выявляют древние следы в скоплениях галактик, надеясь восстановить их историю.

Всплывающие пузыри

Рентгеновские телескопы смогли зарегистрировать ярчайшее скопление галактик в Персее благодаря его высокой светимости и относительной близости к Земле (около 300 млн. св. лет). В центральной его области размером 50 тыс. св. лет в 1990-е гг. ROSAT обнаружил две огромных дыры, напоминающие песочные   часы,    центр   которых совпадает с гигантской галактикой NGC 1275. Используя телескоп «Чандра», Фабиан с коллегами получили их детальные изображения. Оказалось, что они совпадают с найденными ранее радиоджетами, истекающими из центра гигантской галактики (рис. на стр. 26). Рентгеновские дыры не пусты: их заполняют магнитные поля и частицы высокой энергии — протоны и электроны. Эти сверхгорячие пузыри с веществом низкой плотности раздуваются и всплывают, расталкивая менее горячий газ, излучающий в рентгеновском диапазоне.

Телескоп «Чандра» выявил рентгеновские пустоты, испускающие радиоизлучение, и в других скоплениях — Гидра А, Геркулес А и Абель 2597. Обнаружены также пузыри, еле заметные как в рентгеновском, так и в радиодиапазоне, что свидетельствует о том, что быстрые частицы в них уже потеряли большую часть своей энергии. Такие «пустоты-призраки» удалены от центральной галактики и могут быть остатками старых пузырей.

С помощью телескопа «Чандра» Брайен Макнамара (Brian R. McNamara) из университета Ватерлоо в Онтарио установил, что в скоплении MS 0735.6+7421 (краткое обозначение — MS 0735) каждая из двух рентгеновских пустот имеет в диаметре 600 тыс. св. лет, что более чем в 6 раз превосходит размер диска нашей галактики. Размеры пузырей, наблюдаемая плотность и температура газа вокруг них свидетельствуют о том, что их возраст около 100 млн. лет и в них заключена энергия, эквивалентная кинетической энергии 10 млрд. сверхновых. Это объясняет парадокс остывающих потоков.

АНАТОМИЯ СКОПЛЕНИЯ

Крупнейшие объекты во Вселенной — скопления галактик. Каждое из них включает в себя примерно 1000 галактик, движущихся как рой пчел в облаке горячего газа (красный) и удерживаемых от разлета взаимным притяжением. В ядре скопления находится особо крупная галактика, где происходят наиболее бурные процессы в современной Вселенной

АНАТОМИЯ СКОПЛЕНИЯ

Джон Петерсон (John R. Peterson) из Университета Пердью, используя спектры, полученные спутником XMM, обнаружил, что остывающие потоки не возникают в скоплениях с пузырями, которые, вероятно, удерживают газ от остывания. Однако остается неясным, как энергия передается от пузырей к газу.

Супербасы

Пузыри порождают сильные ударные волны вроде тех, что возникают при взрывах в атмосфере Земли. Когда взорвавшееся вещество со сверхзвуковой скоростью выбрасывается в атмосферу, оно расталкивает окружающий воздух и уплотняет его в тонкую оболочку. Столкновения между сжатыми в оболочке частицами преобразуют кинетическую энергию взрыва в тепло. Мощные ударные волны наблюдаются во многих космических явлениях, например в остатках вспышек сверхновых.

Генри Менкен (H.L. Mencken) как-то сказал: «У каждой сложной проблемы существует решение — простое, ясное, но ошибочное». Похоже, что разогрев газа в скоплении мощными ударными волнами как раз и есть такое решение. Телескопы не видят тонких горячих оболочек, нагревающих газ. К тому же, нагрев мощными ударными волнами был бы сконцентрирован в центральной области скопления и не смог бы предотвратить остывание газа во всем его объеме.

Более вероятным переносчиком энергии могут быть звуковые волны. Несмотря на то, что по земным меркам межгалактический газ в скоплениях очень разрежен (всего лишь несколько тысяч атомов водорода на кубометр), звуковые волны все же могут в нем распространяться. Постепенно они становятся слабыми ударными волнами, нагревающими газ. Группа Фабиана нашла подтверждение данной гипотезе. Применив специальный метод обработки изображений, исследователи заметили в скоплении Персея некоторое количество почти концентрических колец. Резкое изменение плотности и давления газа (но не его температуры) на внутреннем кольце указывает, что это слабая ударная волна; а плавное изменение параметров на внешних кольцах говорит о том, что это звуковые волны. Расстояния между кольцами (35 тыс. св. лет) и вычисленная скорость звука в газе (1170 км/с) говорят, что между появлением колец проходило 10 млн. лет. Частота данных звуковых волн на 57 октав ниже нот первой октавы.

Нечто подобное наблюдается и в ближайшем к нам скоплении Девы, расположенном на расстоянии 50 млн. св. лет. Уильям Форман (William Forman) из Гарвард-Смитсо-новского астрофизического центра, наблюдая центральную доминирующую галактику данного скопления — M 87 — при помощи телескопа «Чандра», обнаружил сеть волокон. Диаметр каждого из них — около 1000 св. лет, а длина — до 50 тыс. св. лет. Как и кольца в скоплении Персея, волокна могут быть продуктом звуковых волн, порожденных серией всплывающих пузырей, возникающих в результате вспышек, которые разделяют в этом случае примерно 6 млн. лет. Следовательно, данные звуковые волны примерно на октаву выше, чем в Персее. Группа Формана обнаружила также более горячее излучение в виде кольца радиусом примерно 40 тыс. св. лет, вероятно, связанного со слабой ударной волной, а также большую рентгеновскую каверну на расстоянии около 70 тыс. св. лет от центра галактики.

Как же энергия звуковых волн нагревает газ? Тот факт, что в Персее температура внутренних волн не увеличивается за ударным фронтом, подсказывает ответ. Причиной быстрой утечки энергии частиц газа, нагретых ударными волнами, может быть теплопроводность. К тому же, высокоэнергичные электроны, вылетающие из пузыря или из области ударного фронта, могут прогревать окружающий газ. Оба процесса понижают температуру ударного фронта.

Электромагнитное торнадо

В чем причина раздувания пузырей? Несмотря на то, что большинство людей считают черные дыры всепоглощающими монстрами, они все же могут выбрасывать часть вещества наружу с большой скоростью. Хотелось бы понять, как это происходит.

В 1970-е гг. Роджер Блэндфорд (Roger D. Blandford) из Стэнфорд-ского университета и Роман Знайек (Roman Znajek) из Кембриджского университета предположили, что вращающаяся черная дыра скручивает пространство вокруг себя, заставляя магнитное поле падающего газа принять форму воронки. Таким образом, возникает своеобразное электромагнитное торнадо, выбрасывающее поля и заряженные частицы в виде двух противоположно направленных струй (джетов). Медленно вращающаяся черная дыра порождает слабые струи, поэтому большая часть выбрасываемого ей газа попадает обратно в дыру и там исчезает. Но, быстро вращаясь, она способна извергнуть примерно четверть падающего на нее газа.

САМЫЙ МОЩНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ В ПРИРОДЕ

Черные дыры — не только космические мусоросборники, но и двигатели, способные преобразовывать энергию вращения в линейное движение. Падающее вещество передает свое вращение дыре, раскручивая ее внешнюю границу почти до скорости света. Затем магнитное поле дыры формирует из части газа две тонкие струи — джеты. Быстро вращающаяся дыра может выбросить четверть падающего на нее газа, проглотив при этом три четверти

САМЫЙ МОЩНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ В ПРИРОДЕ

Вращение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик должно подгоняться падающим на них газом. Если черная дыра поглотит такое количество газа, которое позволит ее массе удвоится, то ее горизонт (внешняя граница) будет вращаться почти со скоростью света. Правда, согласно теории относительности Эйнштейна, черная дыра никогда не раскрутится до скорости света, сколько бы газа она ни поглотила. Однако многие черные дыры вращаются достаточно быстро, что способствует образованию мощных струй. Похожее явление наблюдается и в меньших масштабах. Такой способностью обладают и черные дыры звездной массы, чья масса в десятки, а не в миллиарды раз больше солнечной. Они тоже могут выбрасывать мощные струи со скоростью близкой к скорости света, разогревая и расталкивая окружающий газ.

Вычисления показывают, что джеты черных дыр состоят из двух основных компонентов. Внешняя часть воронки образована веществом, движущимся со скоростью примерно в треть скорости света. А внутренняя ее часть, расположенная вдоль оси воронки, содержит разреженный газ из частиц высокой энергии; она-то и несет большую часть энергии и формирует гигантские структуры, наблюдаемые в радио- и рентгеновском диапазонах.

Поразительное свойство струй: их форма, напоминающая тонкий карандаш, сохраняется даже за пределом родительской галактики, на расстоянии в сотни тысяч световых лет. Более того, она не меняется, даже когда струя теряет почти всю свою энергию. Давление газа вблизи черной дыры может выбросить тонкую струю, а инерция может поддерживать эту узкую форму джета по тому же принципу, как вырывается вода из шланга или струя пара из кипящего чайника. Свою роль здесь может играть и спираль магнитного поля, разгоняющая джет.

Скопление в Персее на оптическом снимке (слева) выглядит спокойным, но оживает в рентгеновских лучах (в центре). Пространство между галактиками заполнено горячим газом, пронизанным яркими петлями, нитями и прослойками. Два пузыря по бокам от центральной галактики NGC 1275, кажущиеся пустыми, на самом деле заполнены высокоэнергичными частицами. Усилив контраст снимка (справа), мы видим рябь, вероятно связанную со звуковыми волнами, переносящими энергию межгалактическому газу. Анимацию см. на http://www.chandra.harvard.edu/photo/2003/perseus/animations.html

Скопление в Персее на оптическом снимке (слева) выглядит спокойным, но оживает в рентгеновских лучах (в центре). Пространство между галактиками заполнено горячим газом, пронизанным яркими петлями, нитями и прослойками. Два пузыря по бокам от центральной галактики NGC 1275, кажущиеся пустыми, на самом деле заполнены высокоэнергичными частицами. Усилив контраст снимка (справа), мы видим рябь, вероятно связанную со звуковыми волнами, переносящими энергию межгалактическому газу. Анимацию см. на http://www.chandra.harvard.edu/photo/2003/perseus/animations.html

Несмотря на сдерживающий механизм, давление газа в струе постепенно берет свое. Струя замедляется и рассасывается, образуя большие намагниченные облака из частиц высокой энергии. Эти облака   продолжают   расширяться, выталкивая наружу окружающий их газ и образуя темные рентгеновские пустоты, наблюдаемые обсерваторией «Чандра».

Галактический цикл

Черная дыра, подверженная влиянию скопления галактик, и сама воздействует на него. Наиболее вероятный сценарий развития событий таков: вначале газ в скоплении очень горячий, и сверхмассивная черная дыра центральной галактики остается спокойной. Примерно через 100 млн. лет газ в центральной области скопления охлаждается, и остывающий поток начинает двигаться к главной галактике. Некоторая часть газа формирует звезды и становится частью центральной галактики, а другая — падает на сверхмассивную черную дыру и питает ее, образуя аккреционный диск и формируя быстрые струи.

Эти струи вырываются из галактики наружу, в газ скопления, где их энергия преобразуется в тепло, которое уменьшает остывающий поток или вовсе его прекращает. Выделяя энергию, сверхмассивная черная дыра мешает снабжению себя газом и постепенно становится пассивной. Струи угасают, оставляя газ без источника нагрева. Через миллионы лет горячий газ в центральной области скопления вновь остывает, и начинается новый этап роста галактики и ее сверхмассивной черной дыры, и таким образом цикл повторяется.

Этот сценарий подтверждают рентгеновские и радиоизображения скоплений в Деве, Персее, Гидре и др., на которых запечатлены свидетельства повторяющихся вспышек вблизи черных дыр центральных галактик. Намагниченные кольца, пузыри и струи размером от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет показывают, что периодическая бурная активность была характерна для данных скоплений на протяжении сотен миллионов лет.

Сверхмассивные черные дыры даже в нашу эпоху быстро растут. Астрономы считали, что их рост замедлился, но активность в скоплении MS 0735 показывает, что сверхмассивная черная дыра за последние 100 млн. лет поглотила около 300 млн. масс Солнца, удвоив свой размер и массу. Пока центральная черная дыра не проявляет других признаков активности, таких как мощное рентгеновское или оптическое излучение. И только по рентгеновским пузырям мы можем оценить характеристики этой необычной системы.

Космические взаимосвязи

Такой сценарий был дополнен столкновениями галактик, которые нередко происходят в центральных областях их скоплений. Небольшая галактика, проходящая вблизи своего гигантского центрального собрата, разрывается на части — ее звезды присоединяются к большей галактике, часть ее газа поглощается черной дырой, а ее центральная черная дыра сливается с дырой центральной галактики. Наблюдаемые в MS 0735 огромные пустоты, вероятно, возникли в результате ряда событий, начавшихся при слиянии галактик, вызвавшем мощный приток газа к сверхмассивной черной дыре.

Самое мощное извержение из когда-либо виденных началось 100 млн. лет назад в скоплении MS 0735. Пузыри (синие) на данном составном (радио + рентген) снимке в 250 раз более мощные, чем в скоплении Персея

Самое мощное извержение из когда-либо виденных началось 100 млн. лет назад в скоплении MS 0735. Пузыри (синие) на данном составном (радио + рентген) снимке в 250 раз более мощные, чем в скоплении Персея

Столкновения в скоплениях помогают понять, как происходила эволюция галактик в молодой Вселенной. Скопления — единственные области, где сохранились условия, царившие во Вселенной миллиарды лет назад, когда галактики были ближе друг к другу и чаще сталкивались. Все больше появляется доказательств того, что эволюцию важнейших параметров галактик (их размера, формы, скорости звездообразования) можно объяснить в рамках космического цикла, включающего слияния галактик. Компьютерные модели Филипа Хопкинса (Philip F. Hopkins) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра показали, что слияния богатых газом галактик вызывают вспышки звездообразования и приток газа в центральную область, способствующий быстрому росту сверхмассивной черной дыры и порождающий мощное излучение из ее окрестностей. В результате существенная часть газа выбрасывается из галактики, звездообразование резко затухает, и аккреция на черную дыру слабеет — до следующего слияния галактик.

Большинство потоков от черных дыр, повлиявших на эволюцию галактик, возникали 8–10 млрд. лет назад. С тех пор Вселенная стала намного разреженнее везде, кроме скоплений. Выбросы в них похожи на происходившие в молодой Вселенной, что позволяет астрономам изучать струи, пузыри и волны, сформировавшие нашу и другие галактики.

Может показаться странным, что сверхмассивные черные дыры (объекты массой от нескольких миллионов до сотен миллионов масс Солнца) могут существенно влиять на галактики массой от нескольких миллиардов до сотен миллиардов масс Солнца, не говоря уже о скоплениях галактик массой в сотни триллионов Солнц. Причина кроется в колоссальной концентрации массы в черных дырах и высочайшей силе их гравитационного поля. Сверхмассивные черные дыры — мощнейшие источники гравитационной потенциальной энергии. Выделение этой энергии в аккреционных дисках и ее выброс в форме мегаджетов, увеличивающих радиус действия черной дыры, делает это одним из важнейших процессов, происходящих во Вселенной.

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Black Holes and Time Warps. Kip Thorne. W. W. Norton, 1994.

Cooling Flows in Clusters of Galaxies. A.C. Fabian in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 32, pages 277–318; 1994.

A Deep Chandra Observation of the Perseus Cluster: Shocks and Ripples. A.C. Fabian et al. in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 344, No. 3, pages L43–L47; September 2003. Available at http://arxiv.org/abs/astro-ph/0306036

Energy Input from Quasars Regulates the Growth and Activity of Black Holes and Their Host Galaxies. Tiziana Di Matteo, Volker Springel and Lars Hernquist in Nature, Vol. 433, pages 604–607; February 10, 2005. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0502199

Magnetically Driven Jets in the Kerr Metric. J. Hawley and J. Krolik in Astrophysical Journal, Vol. 641, No. 1, Part 1, pages 103–116; April 10, 2006. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0512227

Результаты последних наблюдений орбитальных обсерваторий «Чандра» и XMM-Newton см. на сайтах http://chandra.harvard.edu и http://xmm.esac.esa.int/

ОБ АВТОРАХ
Уоллес Такер (Wallace Tucker), Харви Тананбаум (Harvey Tananbaum) и Эндрю Фабиан (Andrew Fabian) — лидеры рентгеновской астрономии почти с момента ее зарождения. Такер, научный представитель рентгеновского центра «Чандра», изучает темную материю, скопления галактик и остатки сверхновых. Кроме научных и популярных статей (включая три статьи в Scientific American), а также полудюжины книг, он написал три пьесы о коренных американцах, завоевавшие различные премии. Тананбаум — директор рентгеновского центра «Чандра», член Национальной академии наук, лауреат премии Росси по астрономии за 2004 г. Он изучает рентгеновские двойные звезды, квазары и активные галактики, а также галактики, спокойные в оптике, но яркие в рентгеновском диапазоне. Фабиан — профессор Кембриджского университета, член Королевского общества и лауреат премии Росси за 2001 г. Он соавтор более 500 научных статей о скоплениях галактик и аккрецирующих черных дырах различной массы.

21 Сентября 2011, 12:05    Oleg    12436    1

Комментарии (1):

nop1984  •  21 September, 20:01

спасибо, статья очень хорошо иллюстрирует роль ЧД для галактики

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.