Мы начинаем сотрудничество с издательством «БИНОМ. Лаборатория знаний» и представляем главу из книги «Двигатели гравитации. Как черные дыры управляют галактиками, звездами и жизнью в космосе» директора астробиологической обсерватории при Колумбийском университете в Нью-Йорке, непосредственно участвовавшего в исследованиях галактики с черной дырой на расстоянии 12 млрд световых лет от нас, Калеба Шарфа

Наша великолепная и огромная Вселенная содержит по крайней мере 100 млрд галактик. Эта оценка была получена в результате тщательных наблюдений, составлений карт и экстраполяций, произведенных поколениями астрономов. За исключением небольшой горстки звезд, все эти огромные звездные системы невидимы невооруженным человеческим глазом. И действительно, самые маленькие и тусклые системы составляют большинство. Карликовые галактики — миниатюрные версии туманных звездных роев, которые мы называем эллиптическими, — это наиболее распространенные системы в космосе. Их необычайно трудно выследить, поскольку они могут состоять только лишь из парытройки миллионов звезд и составлять в поперечнике всего несколько сот световых лет. Они так слабы, что их не может заметить никто, кроме самых упорных и оснащенных лучшими приборами наблюдателей. Большие и легче наблюдаемые галактики разделяются на классы. Огромные диски спи- ральных галактик почти всегда обладают большой протяженностью — они могут тянуться на сотни тысяч световых лет и содержать триллионы звезд. Вне интенсивных окрестностей галактических кластеров их численность составляет более 70% всех больших систем. Эллиптические галактики тоже могут быть большими, но их число составляет всего 15% всех больших галактик.

Мы — часть этих межгалактических джунглей, и чтобы закончить мои рассуждения относительно соотношения между черными дырами и жизнью в космосе, я вначале собираюсь глубже копнуть историю нашей собственной очень специфической планеты, большая часть которой покрыта водой.

Сам Млечный Путь — это большая система даже по стандартам спиральных галактик.

Находящиеся в нем 200 млрд звезд весят в 100 млрд раз больше нашего Солнца, а диаметр диска составляет 100 000 световых лет. Наша родительская звезда и родная планета расположены ближе к внешнему краю этой громадной тарелки, хотя и далеко не на самом краю распределения материи в ней. Видимые звезды — лишь один из компонентов этого медленно вращающегося вокруг центра колеса, состоящего из пыли, газа и темной материи. Очередной кругооборот Млечного Пути завершается каждые 210 млн лет. Поскольку Солнце, как и другие разлетевшиеся новые звезды, сформировалось 4,5 млрд лет назад, оно за это время проделало кругосветное путешествие чуть больше 20 раз.

Наш самый крупный сосед — галактика Туманность Андромеды, ее отделяет от Млечного Пути зияющее пространство протяженностью в 2,5 млн световых лет, заполненное межгалактическим газом. Невооруженным глазом мы можем видеть лишь слабый намек на туманное пятно в этом месте. В действительности, ее рассеянный по небу свет об- разует огромную светящуюся полосу шириной в шесть диаметров полной Луны. Это гигантская спираль, но совершенно не похожая на Млечный Путь. Наша галактика все еще активно формирует по несколько новых звезд каждый год, а Андромеда вступила в свой поздний средний возраст. Не то что там совсем не рождаются молодые звезды, но формируются они со скоростью в три–пять раз меньшей, чем в Млечном Пути. Центральное облако Андромеды, состоящее из старых звезд (балдж), тоже гораздо более выпукло, чем подобное облако в Млечном Пути. Спрятавшаяся внутри этого центрального балджа из звезд в Туманности Андромеды черная дыра весит в 100 млн раз больше нашего Солнца. Так же как и в других галактиках, масса этой дыры составляет одну тысячную массы старых звезд, окружающих ее.

Через 4–5 млрд лет искривленное пространство–время, в котором находятся Туманность Андромеды и Млечный Путь, заставит их слиться. Фактически они уже начали движение друг к другу. Хотя это сближение будет происходить со скоростью больше 160 км/с, это не будет столкновением в традиционном смысле этого слова. Так много свободного места между крошечными пятнышками конденсированной материи — звездами, что галактики просто сблизятся и проникнут друг в друга без всяких катаклизмов. Насколько тесными будут эти объятия, пока неясно, но продолжаться этот процесс будет более сотен миллионов лет. А в конечном счете устройство общей системы, состоящей из двух огром- ных подсистем, будет скорее напоминать эллиптическую галактику, а Андромеды и Млечного Пути не останется.

Независимо от результата, к моменту начала этого медленного слияния наше Солнце уже выработает содержащее- ся в его ядре водородное топливо, и оно сожмется, поскольку гравитация превысит уменьшившееся давление в его центре. Сжавшаяся внутренняя часть разогреется, заполняя верхние слои солнечной атмосферы излучением, и эта область будет расширяться. Солнце начнет превращаться в раздутую красную гигантскую звезду, засасывающую все, что останется от планет, вращавшихся вокруг него, включая Землю. Если при этом еще будут живы наши далекие потомки и если они станут свидетелями этих событий, они, без сомнений, увидят конец нашего земного дома. Этот крошечный каменистый шарик с водоемами, на котором началась жизнь сначала в виде микроскопических одно- клеточных организмов, со временем эволюционировавших в нас, исчезнет. Но до этого у нас есть время и шанс понять, что заставляет Млечный Путь поддерживать жизнь и чем он отличается от других галактик.

Мы живем сейчас во времена беспрецедентных по масштабу космических исследований. Возможности современной астрономии уже совсем иные, чем за всю предыдущую историю человечества. У нас есть технологические средства для создания таких уникальных инструментов, как рентгеновская обсерватория «Чандра» или космический телескоп «Хаббл». Кроме того, мы располагаем управляемой ком- пьютерами автоматикой и глобальными коммуникациями для исследования прежде невообразимых объемов Вселенной. В самом деле, огромная область астрономии, которую мы будем развивать в будущем, будет включать составление таких подробных карт Вселенной и сбор таких объемов информации, подобных которым никто никогда не видел. Гигантские новые телескопы будут сканировать небо и каждую ночь делать записи сотен миллионов космических объектов, начиная со звезд и заканчивая галактиками. И все это будет повторяться вновь и вновь. Аналогично тому, как сейчас обычные видеокамеры, в целях безопасности, регистрируют происходящее на городских улицах, новые системы будут мониторить Вселенную, постоянно расширяя нашу базу данных и уточняя карту космоса, в которой появится все больше деталей, как пространственных, так и временных.

Первые шаги в этой новой астрономии уже сделаны. Один проект подобного рода назывался Sloan Digital Sky Survey (SDSS — «Слоуновский цифровой обзор неба»). В рамках этого потрясающего проекта, начиная с 2000 г., было проведено сканирование 35% ночного неба над Землей и заре-гистрировано 500 млн астрофизических объектов. Для этих целей использовался вполне скромный телескоп — чуть больше восьми футов в диаметре, но он сканировал небо над Нью-Мексико полосу за полосой, при этом его цифровая камера зарегистрировала бесчисленное количество космических фотонов. Она зарегистрировала невероятно большую выборку (больше миллиона объектов) галактик из ближайшего космического окружения, охватывающего 2 млрд лет по шкале космического времени. Но как обработать все это огромное количество данных?

В 2007 г. консорциум астрономов запустил проект под названием Galaxy Zoo («Галактический зоопарк»). Идея его была проста, но трудность состояла в реализации самой идеи. Галактики, обнаруженные в процессе осуществления Слоуновского проекта, нужно было каким-то образом клас- сифицировать: чтобы извлечь надежные с точки зрения статистики данные о них, необходимо было на все зарегистрированные объекты повесить физически правильные ярлычки. Разновидности галактик известны: они бывают спиральными или эллиптическими, ну, а внутри этих основных видов располагаются подвиды. Принцип идентификации кажется на первый взгляд очень простым, и, конечно, для «распознавания» типа галактики можно использовать компьютер. Однако природа хитроумна, и ошибки всего в несколько процентов могут все запутать. Есть огромный диапазон естественных вариаций в структурах, равно как и сбивающих с толку индивидуальных особенностей, да и просто сбоев в данных. Даже очень изощренный компьютерный алгоритм может ошибиться, особенно если нужно обработать миллион систем.

С момента появления телескопической астрономии 400 лет назад человеческие глаза и мозг проявили себя как заме- чательные анализаторы изображений. После очень небольшого обучения и тренировки человек может распознать тип галактики с поразительной эффективностью. Это все равно, что рассматривать засушенные цветы или расплющенных насекомых в гербариях и коллекциях, — через некоторое время вы сможете распознавать вид без колебаний. Вот ромашка, лилия, роза, другая ромашка. Там жук, муха, еще одна муха, комар… Человеческий мозг — блестящая машина по распознаванию образов. Реальная проблема, с которой столкнулся проект «Галактический зоопарк», была как раз в масштабе заявленных целей. Ученые хотели классифи- цировать миллион галактик, но во избежание ошибок им требовалось по крайней мере по 20 одинаковых идентификаций для каждой потенциальной галактики. Даже фанатично преданная науке группа ученых не могла бы найти столько времени или проявить столько упорства, чтобы выполнить эту задачу.

Решение было найдено: использовать активность чело- веческого сообщества — «краудсорсинг», что в астрономии раньше никогда не делалось. Вскоре после запуска проек-та в Интернете было помещено обращение к волонтерам. В течение месяца после призыва 80 000 человек вызвались потратить свое время, чтобы рассмотреть сообща миллион галактик по десять раз каждую. Это были ученые, студенты, водители автобусов, пенсионеры, астрономы-любители, дети, атлеты, писатели, врачи, представители самых разных профессий и возрастов. Поистине восхитительный пример того, как люди получают радость и удовлетворение от совместной деятельности. Всего через год подключилось уже 150 000 человек, и они проделали более 50 млн иден- тификаций. Проект продолжается и сейчас, расширяясь за счет более детального описания галактик и обработки новой информации из огромного архива полученных космическим телескопом «Хаббл» данных за 20 лет, проведенных им на орбите.

Огромные базы данных вроде той, которая была собрана «Галактическим зоопарком», позволили астрономам начать решать такие задачи, которые принято было считать почти неразрешимыми. Это как если бы вы захотели пере- писать население целого континента вместо того, чтобы, как раньше, производить учет только в некоторых малоизученных соседних областях. Как в точности мы сможем проинтерпретировать эти результаты, выяснится в ближайшие десятилетия, но сейчас можно поразмышлять над некоторыми из наиболее интересных открытий. Для нас одним из самых ключевых является открытие связи между свойствами родительских галактик и сверхмассивными черными дырами, которые они приютили. Наконец-то мы получили возможность не принимать во внимание сбивающие с толку индивидуальные особенности галактик, а вместо этого смотреть на их сходство с миллионами других систем.

Мы обнаружили существенную разницу между сверхмассивными черными дырами внутри эллиптических и спиральных галактик. В сегодняшних менее массивных эллиптических галактиках их наименее массивные черные дыры, однако, являются наиболее активными — они все еще поеда- ют материю и производят энергию. А в спиральных галактиках все наоборот: самые массивные черные дыры вырабатывают максимум энергии. Это выглядит как парадоксальная инверсия поведения, но только до тех пор, пока мы не осознаем, что наиболее массивные черные дыры в спиральных галактиках фактически того же размера, что наименее массивные черные дыры в эллиптических галактиках.

Мы можем проинтерпретировать этот факт, приняв во внимание следующее: в сегодняшней Вселенной наиболее массивные черные дыры уже фактически вышли в тираж. Неважно, где они находятся, — большинство из них уже наелись досыта и точно не собираются опять разгораться до яркости квазаров. Они сидят на диете. Обычно они проявляют во всем очень скромную активность, но ее достаточно, например, для контроля за потоком вещества и его охлаждением в глубине галактического кластера. Менее массивные черные дыры, чья масса составляет от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов масс Солнц, и есть главные игроки в окружающей нас Вселенной. Они все еще растут, хотя довольно медленно и спорадически. Таким об- разом, квазары и огромные эллиптические галактики уже истощились, слишком резво рванув на старте, в то время как спиральные галактики и более скромные по размеру черные дыры, живущие в них, дождались своего часа. Это последний этап гонки между черепахами и зайцами. На самом деле, некоторые наблюдения показывают, что видимая сегодня скорость роста черных дыр у этих черепах выше, чем несколько миллиардов лет назад. Только через 14 млрд лет они, наконец, развернулись в полную силу.

Ну, а какое место тогда занимает наша галактика Млеч- ный Путь в сообществе этих гигантских черепах? Ответ от- кроет нам очень глубинные свойства Вселенной, но вначале мы должны понять, как туда проникнуть. Когда астрономы говорят о том, что вещество питает сверхмассивную черную дыру, они говорят о «рабочих циклах» (вроде разных периодов полоскания белья в стиральной машине). Длительность рабочих циклов черных дыр говорит о том, как быстро они переходят от периода поглощения материи к спокойному состоянию. Периодическое распространение огромных пузырей, проплывающих сквозь кластеры галактик, — пре- красный пример визуализации рабочих циклов. Определить присутствие черных дыр гораздо проще, когда они находятся во «включенном» состоянии, и чем быстрее их циклы сменяются, тем больше черных дыр вы можете зарегистрировать в любой момент в каждой области космоса. (Это как находиться в совершенно темной комнате, наполненной голодными мышами. Если вы рассыплете кусочки сыра, самые быстрые мыши будут быстро перебегать от крошки к крошке, и вы по звуку попытаетесь сосчитать, сколько их. А медлительные мыши между поеданиями очередного кусочка сыра берут большие паузы, и в каждый данный момент вы насчитаете гораздо меньшее их количество.)

Результаты, полученные в Слоуновском проекте и в «Галактическом зоопарке», показали, что рабочие циклы связаны с общим составом звезд в галактике. Этот состав — важнейший ключ к природе галактической системы. Звезды в галактике могут быть красноватые, желтоватые или голубоватые, причем голубые звезды, как правило, са- мые массивные. Поэтому они самые короткоживущие, они сжигают свое ядерное топливо всего лишь за несколько миллионов лет. Это значит, что если в ночном небе вы увидели голубые звезды, то в ваше поле зрения попали юные звездные системы, и это указывает на то, что там в этот момент звезды рождаются и умирают. Астрономы заметили, что если вы сложите вместе весь свет, приходящий из какой-либо галактики, суммарный цвет будет ближе либо к красному, либо к голубому. Красные галактики обычно скорее эллиптического типа, а голубые — спирального. Между этими двумя группами, различающимися по цвету, находятся сис- темы переходного типа, которые, возможно, впоследствии трансформируются в более красные по мере того, как молодые голубые звезды в них умрут, но не заместятся новыми. Без тени иронии, а, возможно, действительно имея в виду эффект смешения цветов, астрономы назвали эту промежуточную категорию «зеленой долиной».

Удивительно, но за последний миллиард лет именно спиральные галактики из «зеленой долины» демонстрируют самые длинные рабочие циклы черных дыр. В современной Вселенной именно в них находят приют наиболее равномер- но растущие и громко о себе заявляющие гигантские черные дыры. Звезды в этих галактиках весят в 100 млрд раз больше, чем наше Солнце, и если вы взглянете на любую из них, вы с гораздо большей вероятностью увидите признаки поглощения черной дырой материи, чем в любой другой спиральной системе: каждая из десяти таких галактик содержит черную дыру, активно поедающую вещество. В космических терминах это значит, что они регулярно «включаются и выключаются».

Как связана активность черной дыры с тем, что родительская галактика находится в зеленой долине, является загадкой. Это переходная зона, и большинство галактик во Вселенной либо краснее, либо голубее галактик из зеленой долины. Системы в зеленой долине находятся в процессе изменения, в них может даже остановиться формирование звезд. Мы знаем, что сверхмассивные черные дыры могут останавливать формирование звезд в таких образованиях, как галактические кластеры или юные большие галактики. Возможно, эти их действия вызывают «позеленение» галактик. Возможно также, что причиной, вызывающей изменение цвета галактики, является питающая черную дыру материя.

Когда мы изучаем другие спиральные галактики, распо- ложенные в ближайшей Вселенной, мы находим свидетельства того, что влияние черных дыр, выкачивающих боль- шую часть энергии вовне, распространяется на системы «из их хозяйства» вплоть до расстояний в тысячи световых лет. В некоторых случаях жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, исходящее от вещества, питающего черные дыры, может создавать «ветер», выдувающий нагретый газ наружу. Он продувает те районы галактики, где происходит звездообразование, подобно тому, как теплый атмосферный фронт вытесняет холодный воздух. Как точно это влияет на производство звезд и элементов — пока неясно, но это мощная сила. Таким же образом запуск процесса испускания огромной энергии центральной дырой при по- глощении материи может существенно увеличить масштаб этих систем. Например, при падении карликовых галактик в гравитационную яму большей галактики, материя закручивается в вихре и вливается в черную дыру «через воронку». (Так раздувают угли в затухающем костре для того, чтобы его оживить.) Гравитационные эффекты и давление этой всасываемой карликовой галактики могут как замедлить, так и ускорить формирование звезд во всей большой системе. Некоторые или все эти явления могли бы помочь установить связь между сверхмассивной черной дырой и возрастом (и, следовательно, цветом) звезд вокруг нее.

Интересно, что астрономы недавно поняли, что сам наш Млечный Путь — одна из очень больших галактик, относящихся к зеленой долине. Это означает, что наша сверхмассивная черная дыра должна иметь очень большую скорость смены рабочих циклов, что является большим сюрпризом. Я уже рассказал о черной дыре, которая прячется в центре нашей галактики — она не казалась такой уж активной — фактически наиболее ощутимо она проявляет себя посредством влияния на орбиты звезд в центре галактики. Оценивая по силе этого влияния массу черной дыры, можно заключить, что она составляет всего лишь 4 млн масс Солнца — это сущий «сосунок». Однако, согласно результатам нашего мониторинга Вселенной, она должна быть одной из самых деятельных черных дыр.

Перефразируя Хэмфри Богарта, можно сказать: из всех мест во всех галактиках во всей Вселенной лучше всего нам было оказаться именно здесь. Большое искушение, конечно, быть скептиком в этом вопросе, поскольку мы и не подозревали раньше, что наша галактика является гостеприимным хозяином для необычайно прожорливой сверхмассивной черной дыры. Возможно, вопрос просто в масштабах времени — можно ли сравнивать наши короткие жизни со временем жизни космоса? Нам нужно знать, что происходит, — живем ли мы действительно в спокойном или же в беспокойном космическом окружении? Интересно, что полученные недавно важные свидетельства говорят о том, что наши знания должны подвергнуться серьезному пересмотру. Эти свидетельства получены при рассмотрении Млечного Пути через некие очень специальные очки.

Самой большой энергией из всех видов электромагнит- ного излучения обладают фотоны гамма-лучей, или гамма-кванты, которые имеют длины волн меньше размера атома и высокую проникающая способность, — лучше, чем у рентгеновских лучей. Они могут пройти сквозь любую материю, и остановить их могут лишь толщенные куски металла или камня. На Земле они рождаются в процессах естественного радиоактивного распада, происходящих внутри нестабильных атомных ядер. Например, гамма-лучи, возникающие при распаде радиоактивного кобальта-60, используются в пищевой промышленности для обеззараживания продуктов вроде мяса или овощей. Во Вселенной гамма-кванты рождаются при событиях, в которых происходит выделение самых больших энергий: при взрывах звезд, распространении сверхзвуковых ударных волн, в эффектах, происходящих с участием ультрарелятивистских частиц, бороздящих космос.

Десятилетиями астрофизические детекторы регистрировали стабильные группы особенно таинственных гамма- квантов. Хотя такой сигнал трудно идентифицировать, но направление их полета было вполне определенным — было ясно, что эти вездесущие гамма-кванты прилетели из внутренних областей нашей галактики. Это было недвусмысленным свидетельством каких-то очень энергичных процессов, происходящих глубоко в недрах Млечного Пути.

В конце концов рентгеновские телескопы, наподобие того что установлен на спутнике ROSAT, о котором мы уже говорили, начали получать предварительные данные о необъятных структурах, имеющихся в нашем галактическом ядре. Эти зоны рентгеновского излучения трудно зарегистрировать из-за того, что они очень слабы, но астрономы смогли выяснить, что они напоминают конические воронки длиной в тысячи световых лет, широким отверстием обращенные в межгалактическое пространство. Их наличие позволяет предположить, что высвобождаемая энергия — что-то типа мощного галактического ветра — выдувает разреженный горячий газ из внутренней части галактического святилища наружу.

Кроме того, в начале XXI в. астрономы, регистрируя с помощью микроволновых детекторов распределение кос- мического фонового, или реликтового, излучения, наносили получаемые результаты на карту, похожую на пестрый гобелен. В картине распределения этих растянувшихся потомков тех фотонов, которые существовали при самом рож-дении Вселенной, тоже можно было обнаружить необычные черты — еще один намек на существование громадной структуры на пути этих реликтовых фотонов. И действительно, когда ученые проанализировали огромные карты микроволнового излучения неба, они увидели легкий туман, окутывающий внутреннюю зону нашей галактики. Это заставило их предположить, что космические фотоны могли проходить через некоторую структуру, состоящую из быстро движущихся частиц. Фотоны на пути к нам претерпевали изменения, их энергию меняло некое образование, притаившееся в этом районе.

Рекомендуем по этой теме:
8453
Поляризация реликтового излучения

В 2010 г. небольшая группа ученых Гарвардского уни- верситета под руководством астронома Дуга Финкбайнера объявила о замечательном открытии. Двумя годами ранее агентство NASA запустило на орбиту новую обсерваторию, названную «Ферми» в честь известного физика Энрико Фер- ми. Это был крупный шаг вперед в области изучения гамма- лучей, приходящих из космоса. С помощью новой обсерватории стало возможным получать с высокой надежностью изображения в гамма-лучах. Гамма-телескоп «Ферми» вра- щался по орбите и составлял карту всего неба, отлавливая гамма-фотоны, прилетающие из всех уголков Вселенной. Финкбайнер и его группа проанализировали эту карту до мельчайших деталей. Они тщательно прочистили ее, убрав все яркие объекты и источники шумов, которые мешали получению изображения с нашей выгодной позиции в космосе. (Это примерно то же самое, как если бы вам нужно было начертить карту с расположением зданий для большого, освещенного лунным светом города. И прежде чем вы сможете разглядеть очертания зданий, вы должны убрать блики от окон всех офисов, фар автомобилей и уличных фонарей.)

Постепенно они удаляли с карты слой за слоем все лишнее и, наконец, под всеми снятыми слоями обнаружили нечто совершенно необычное. Там оказалось нечеткое изображение структуры, прячущейся во внутренней части галактики и излучающей гамма-лучи. Она занимала все небо и выглядела в точности как пара пузырей. Каждый из них занимал свою половину галактики — один растянулся на «север», а второй — на «юг». Эти огромные шаровидные крылья вытянулись на 25 000 световых лет вверх и наружу — в межгалактическое пространство. Испускающие гамма-фотоны пузыри зацеплялись своим основанием за самое ядро Млечного Пути.

Мы считаем, что гамма-фотоны, излученные этими структурами, произошли от фотонов с более низкими энергиями, столкнувшихся с быстро летящими частицами — такими, как электроны, — и за счет этого увеличивших свою энергию. Это тот самый механизм, который, как мы видели, работает в больших структурах, окружающих родительские галактики сверхмассивных черных дыр, выпускающих струи частиц. Это тот самый процесс, который в юной Вселенной запускает колоссальные пузыри, поднимающиеся от черных дыр. Источником дополнительной энергии служат частицы, ускорившиеся вблизи горизонта событий до скоростей, близких к скорости света.

Правда, есть еще и другая возможность: эти галактические пузыри — результат сильнейшего вихря, вызванного рождением звезд и их гибелью, которые происходили в галактическом ядре миллионы лет назад. Такие взрывы тысяч звезд могут привести к сильнейшим выбросам как излучения, так и вещества, что также может, вероятно, оказаться причиной, приводящей к созданию подобных структур. Но есть дополнительное свидетельство того, что пузыри, излу- чающие гамма-лучи, все-таки продукты роста черных дыр и их активности в течение последних 100 000 лет.

Когда мы отправились в путешествие к центру галактики, нам попадались на пути разные большие и загадочные структуры — от гигантских колец плотного газа до сгустков и облаков вещества. Мы узнали, что это некие формы холодной материи, состоящей из очень холодных молекул, находящиеся в холодных областях межгалактического пространства, или почти холодные и тусклые облака газа. Но меж тем астрономы обнаружили, что некоторые из этих (в остальном темных) структур излучают в рентгеновской области спектра. Это излучение имеет очень специфический характер. Оно исходит от холодных атомов железа, которые до испускания рентгеновских фотонов были возбуждены. Лучшее этому объяснение состоит в том, что это возбуждение и высвечивание на самом деле происходит в результате отражения. Рентгеновское излучение заливает холодную туманность, где оно поглощается и переизлучается в нашем направлении. В этом случае газ служит как бы гигантским мутным зеркалом, и ученые заключили, что единственным правдоподобным исходным источником для отраженного излучения может быть большая область огромной энергии в самом центре галактики. Но поскольку то рентгеновское излучение, которое мы видим, есть лишь эхо, полученное отражением от облаков, расположенных на расстояниях в 300 световых лет от галактического центра, это означает, что мы наблюдаем процессы с временной задержкой. Глядя на небо с нашей точки наблюдения, мы понимаем: что-то большое и мощное в самом центре галактики 300 лет назад выбрасывало в миллион раз больше рентгеновского излуче- ния, чем теперь.

Эти наблюдения добавляют нам красок в захватываю- щую картину, рисующую наше локальное космическое окружение. Если Млечный Путь подчиняется тем же правилам, что и десятки тысяч других галактик, он должен прятать черную дыру, питающуюся очень регулярно. И пузыри гамма-лучей, и испорченные кольца во внутренней части галактики, и призрачное эхо рентгеновского излучения, испущенного 300 лет назад, — все это свидетельствует о том, что мы приютили действительно весьма активную черную дыру. Эта дыра, возможно, не самая большая, и при поглощении вещества она производит не больше энергии, чем другие дыры, но это активный монстрик, этакий устрашающий провал в самом сердце нашей галактики. Не- сколько веков назад она ярко горела, создавая изысканные картины в отраженном от галактического ядра свете. Возможно, 25 000 лет назад она извергалась еще ярче, выдувая огромные пузыри, которые «ярко светятся» в небе своими гамма-лучами. Мы можем в любое время ожидать повторных вспышек этого гравитационного генератора энергии. Ах, если бы только Джон Мичелл или Пьер-Симон Лаплас, глядя на звезды и решая поставленные для себя задачи, имели в своем распоряжении космические телескопы! Небо в 1700-х гг. должно было выглядеть весьма впечатляюще!

Ясно, что наш Млечный Путь и его центральная черная дыра принадлежат к особому сообществу. Они — обладатели особого статуса в теперешней Вселенной, который указывает на возможную связь между космической средой и появлением жизни здесь, на Земле. Ученые и философы иногда обсуждают тему, которую они называют «антропным принципом». Слово «антропный» происходит от древнегреческого корня, означающего что-то, имеющее отношение к человеку или к периоду существования человека. Ученые, занимающиеся антропным принципом, обычно ломают головы над щекотливым вопросом о том, случайно ли в нашей Вселенной создались условия для жизни или нет. Аргументы состоят в том, что, если бы некоторые физические законы или физические константы были лишь чуть-чуть другими, в ней не смогла бы зародиться жизнь. Но на данный момент у нас нет хорошего объяснения того, почему физические параметры Вселенной такие, какие они есть. Так что вопрос нужно поставить иначе: почему наша Вселенная вообще оказалась пригодной для жизни? Ведь это в высшей степени маловероятно.

Рекомендуем по этой теме:
12808
FAQ: Эволюция галактик

Как и многим ученым, мне становится не по себе, когда я сталкиваюсь с этими вопросами. Мы готовы попытаться преодолеть наши предрассудки и не считать себя чем-то особенным. Так же как Коперник выдвинул идею о том, что Земля не есть центр Солнечной системы, так и мы — не пуп всей Вселенной. На самом деле Вселенная, описываемая полевым уравнением Эйнштейна, не имеет центра в прямом смысле. Но на некоторые антропные аргументы трудно возразить. Один возможный способ устранить дискомфорт от присвоения себе особого статуса основывается на концепции и физической картине мира, предполагающей множественную реальность или существование множества вселенных. Например, если наша Вселенная — просто одна из многих, существующих внутри многомерного пространства–времени, то тогда неудивительно, что мы здесь существуем. Мы просто живем в той Вселенной, в которой есть условия, позволяющие существовать жизни, — в этом нет ничего особенного. Это просто островок с хорошим климатом.

Это все довольно любопытные вопросы, и они нас также заставляют глубже задуматься о том, каков именно этот длинный список условий существования жизни во Вселенной. Действительно поразительно, что Млечный Путь, и мы вместе с ним, обосновались непосредственно в том райском месте, где сверхмассивная черная дыра активна. Возможно, это не простое совпадение, и первый вопрос, ко- торый приходит на ум: сказываются ли на нашей Солнечной системе физические последствия активности черной дыры с массой в 4 млн Солнц, находящейся на расстоянии пример- но в 25 000 световых лет от нас? Могла ли она повлиять на пригодность планет из нашего галактического окружения к возникновению жизни на них? Когда наша центральная черная дыра включается и начинает поедать материю и выбрасывать энергию, мы не чувствуем ее невероятной интенсивности. Огромные, выдувающие гамма-лучи пузыри, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном галактическому диску, с определенностью доказывают, что из нашей черной дыры выделяется огромная энергия, но ее потоки направлены не на нас. Если более важные события когда-то и происходили, они должны были произойти в отдаленном прошлом, возможно, даже до того, как 4,5 млрд лет назад образовалась наша Солнечная система. С тех пор наш центральный монстр, похоже, оказывал лишь небольшое физическое воздействие на такие удаленные галактические окраины, как наша Солнечная система.

Для поддержания жизни на Земле это, по-видимому, хорошо. Планету, подобную нашей Земле, могло краем задеть резко возросшее внешнее межзвездное излучение в форме высокоэнергетичных фотонов и релятивистских частиц, и радиация могла бы оказать вредное воздействие на молекулы внутри живых организмов и даже изменить структуру и химический состав нашей атмосферы и океанических вод. Возможно, мы относительно хорошо защищены от этого влияния, находясь на расстоянии 25 000 световых лет от галак- тического центра, а если бы мы жили ближе к нему, это была бы совсем другая история. Следовательно, то, что мы живем не на одной из планет, расположенных ближе к галактическому центру, скорее всего, не случайно. По-видимому, вовсе не случайно также и то, что мы здесь живем именно сейчас, а не на миллиарды лет раньше или позже.

Наша галактика, как и множество других, развивалась вместе с центральной сверхмассивной черной дырой. На самом деле, ответ на вопрос, который мы ищем, в меньшей степени связан с непосредственным влиянием центральной черной дыры на жизнь на Земле, а в большей — с ее ролью индикатора теперешнего состояния нашей галактики вообще. Установление связи между сверхмассивными черными дырами и их родительскими галактиками даст нам реальный инструмент исследования галактической истории. Неистовые квазары из юной Вселенной связаны с самыми большими эллиптическими галактиками, в основном находящимися в центрах галактических кластеров. Эти галактики сформировались рано, быстро и жестко — в гоне они играют роль легко возбудимых зайцев. К настоящему моменту их звезды почти все состарились, и газ, представляющий собой потенциальное сырье для образования новых звезд или планет, по большей части слишком горяч для этого. Меньшие эллиптические галактики — эти огромные головки одуванчиков, состоящие из пушинок-звезд — по современным представлениям сформировались позже, при слиянии галактик. Что-то по пути «пригасило» образование в них звезд. Мы думаем, что это был не такой разрушительный, но все-таки очень мощный выброс энергии их сверхмассивных черных дыр, который вполне мог сыграть роль такого регулятора. Спиральные галактики, имеющие балджи (большие выпуклости вверх и вниз по отношению к галактическому диску) центральных звезд, тоже демонстрируют определенные признаки тесных связей со своими центральными черными дырами. Во многом эти связи напоминают взаимоотношения эллиптических галактик со своими черными дырами. В обоих случаях масса центральной черной дыры составляет одну тысячную массы окружающих звезд. Наш сосед — Туманность Андромеды — одна из таких галактик, и мощный балдж из звезд в окрестности ее черной дыры превышает наш более чем в 20 раз.

Ниже по иерархической лестнице идут галактики без бал- джей, и такими являются многие спирали. Хотя Млечный Путь — огромная галактика, одна из самых больших в известной нам Вселенной, в ней нашла прибежище относительно крохотная черная дыра. Отсутствие заметного звездного балджа является загадкой: либо в галактике меньше сырья, из которого в начале формировались звезды, либо регулятор — черная дыра — никогда по-настоящему не выполняла этой своей функции, либо со временем в систему стало меньше попадать маленьких галактик и сгустков материи. Поблизости от черной дыры также практически не оказалось невероятно многочисленных карликовых галактик. Настоящие карликовые галактики из галактического зоопарка — довольно тщедушные объекты — часто в них обитает всего по несколько десятков миллионов звезд или около того. Кроме звезд в них имеется небольшое количество газа и пыли, из которых могли бы быть созданы новые звезды. Те же карлики, которые в изобилии встречаются в межзвездном бульоне, часто настолько темны и в них так мало звезд, что кажется, будто кто-то забыл поджечь фитиль.

В нашей галактике все еще идет образование звезд с темпом примерно по три массы Солнца в год. Это немного в масштабах времени отдельного человека, но это значит, что с тех пор, как наши предки встали на две ноги где-то в Олду- вайском ущелье, в Млечном Пути сформировалось по крайней мере 10 млн новых звезд — неплохой результат для Вселенной, которой почти 14 млрд лет. Гигантские галактики юной Вселенной с сияющими квазарами в ядрах в некотором смысле давно сгорели. Извержение энергии из их черных дыр затушило процесс образования там новых звезд, волны от этих раздувающихся пузырей релятивистских частиц не дают материи охладиться и сконденсироваться в звездные системы. А наш Млечный Путь — черепаха среди пронесшихся вперед кроликов все еще продолжает свое медленное движение.

То, что большая спиральная галактика, в которой мы живем, обладает очень маленьким центральным балджем и скромного размера центральной черной дырой, может быть и является ключевым, необходимым для любой галактики, условием пригодности ее для возникновения и поддержания жизни. Это должна быть галактика, которая в прошлом не занималась формированием колоссальных черных дыр и борьбой с высвободившимися в этом процессе демонами.

В галактиках, похожих на нашу, новые звезды продолжают формироваться, но с иной интенсивностью, чем в других системах. Большинство новых звезд формируется на краях спиральных рукавов, когда эти громадные образования при вращении возмущают диск из газа и пыли. Кроме того, здесь звезды формируются дальше от галактического центра, чем обычно. Астрономы говорят, что мы живем в области «скромного» звездообразования. Очень активное образование звезд приводит к тому, что среда становится совершенно непредсказуемой. В ней идет образование массивных звезд, которые первыми сжигают свое ядерное топливо, что приводит в дальнейшем к ужасным взрывам сверхновых. При этом атмосферу планет может либо вообще снести, либо под воздействием радиации возможно изменение ее химического состава. Быстро движущиеся энергичные частицы и гамма-лучи могут бомбардировать поверхность планет. Даже поток призрачных нейтрино, высвобождающихся при звездных взрывах, если он достаточно интенсивный, способен повредить хрупкие биологические структуры. И это еще не самое страшное воздействие. Если вы оказываетесь слишком близко к сверхновой, есть неплохой шанс испариться вместе со всей системой.

Однако это те самые механизмы, с помощью которых богатое элементами блюдо, приготовленное внутри звезд, разлетается по космосу. Данное сырье используется для создания как звезд, так и планет. У этих планет образуются сложные химические смеси углеводородов и воды, они рас- полагаются слоями и находятся в движении, поскольку вы- деляющееся при распаде тяжелых изотопов тепло все это пе- ремешивает, и вся эта геофизика продолжается миллиарды лет. А вот где-то посередине между роддомами, где рожда- ются и взрываются молодые звезды, и домами престарелых с кладбищем древних звезд лежит область, которую можно назвать «ни то ни се», и наша Солнечная система обитает как раз там. Она достаточно далека от галактического цен- тра и не слишком близка к местам, где активно и со взрыва- ми прямо сейчас образуются новые звезды. Конечно, через 5 млрд лет все изменится, и это случится, когда галактика Туманность Андромеды сольется с нашей.

Рекомендуем по этой теме:
7164
Химическая эволюция галактик

Связь между существованием жизни и степенью актив- ности сверхмассивных черных дыр очень проста. Галакти- ческая область с умеренной скоростью образования звезд, в которой обитает регулярно питающаяся черная дыра скромного размера, гораздо вероятнее станет обитаемой, чем та, где живет прожорливый, но давно выдохшийся монстр. Факт, что во Вселенной в данный момент косми- ческого времени существуют какие-либо галактики типа Млечного Пути, тесно связан с разнонаправленными про- цессами — гравитационной агломерацией материи и разру- шительными выбросами энергии из поглощающих материю черных дыр. Слишком большая активность черных дыр — и новые звезды будут образовываться в малых количествах плюс прекратится производство тяжелых элементов. Очень низкая активность черных дыр — и пространство может полностью заполниться юными и взрывающимися звезда- ми, либо оно будет слишком слабо перемешанным для того, чтобы что-то вообще могло там образоваться. В самом деле, чуть измените баланс — и изменится весь процесс образо- вания звезд и галактик. Как мы видели, даже присутствие маленьких черных дыр в тот период, когда Вселенная выхо- дила из космических темных веков, помогло запустить всю последующую цепь событий.

Весь путь развития, приведший в результате к появле- нию вас или меня, был бы другим или не существовал бы вообще, если бы не совместная эволюция галактик и сверх- массивных дыр с той исключительно важной ролью регуля- тора, которую играют черные дыры. Общее число звезд во Вселенной было бы другим. Число звезд с большой и малой массой было бы другим. Формы галактик, структуры, в ко- торые организуются газ и пыль, а также элементный сос- тав — все это практически наверняка было бы другим. Там находились бы места, которые никогда не были облучены интенсивным синхротронным излучением сверхмассивной черной дыры, и места, которые никогда не получали тол- чок, приводящий к тому, что звезда или планета образуется и начинает жить.

Многие космические явления связаны с существованием жизни, но некоторые из них более важны, другие — менее.

К наиболее важным относится деятельность черных дыр, что определяется их уникальной физической природой. Нет других структур во Вселенной, которые так же эффективно превращали бы материю в энергию. Никакой другой объект не может действовать как громадный электрический акку- мулятор, способный запасать такое количество энергии, ко- торой хватает на то, чтобы выбрасывать ультрарелятивист- ские частицы на десятки тысяч световых лет. Ничто другое не может вырасти таким массивным и при этом оставать- ся сравнительно несложным. Черная дыра — это вмятина в пространстве–времени, описываемая всего лишь тремя фундаментальными количественными характеристиками: массой, спином и электрическим зарядом.

Посмотрите на свою руку. Она содержит углерод, кисло- род и азот, которые были произведены на глубине в милли- оны миль под поверхностью других звезд миллиарды лет тому назад. В руке есть и водород, который уже присутство- вал в самом начале существования Вселенной. Все эти эле- менты испытывали действие сил со стороны черных дыр. А прямо сейчас небольшая часть огромного моря фотонов, летящих сквозь Вселенную, продирается через нашу атмос- феру и обрушивается на древние атомы нашей плоти. Не- которые из этих фотонов родились при смертоносном вра- щении материи вокруг черных дыр, другие — в ускоренных струях частиц, мчащихся со скоростями, близкими к скоро- сти света, в глубины космоса. Мы купаемся в их радиации, но в атомах руки ничего нового не происходит. Когда кос- мические темные века закончились примерно 13 млрд лет назад, какое-то количество первобытного водорода, теперь находящегося в нашем теле, скорее всего, подвергалось по- стоянному воздействию радиации черных дыр. Через мил- лиарды лет в процессе эволюции гравитации и энергии в той области космоса, которая стала галактикой Млечный Путь, возникли звезды.

Этот благодатный уголок космоса управлялся всем, что было вокруг него, включая черную дыру в нашем галакти- ческом центре. Те самые объекты, которые скрыли себя от остальной Вселенной, больше всего повлияли на ее облик. Мы многим им обязаны.