Черная дыра рождает звезды в долг

За последние десятилетия ученые убедились, что в центре каждой уважающей себя галактики находится сверхмассивная черная дыра. Иногда она сидит тихо и проявляет себя лишь по движению звезд в окрестностях галактического центра – как, например, центральный темный объект нашей собственной Галактики, масса которого около 4 миллионов масс Солнца.

Иногда она встречается с облаком газа или разрывает своим притяжением звезду, рискнувшую подобраться к «монстру» слишком близко. В этом случае падающий в дыру газ закручивается в так называемый аккреционный диск, разогревается до очень высоких температур и начинает ярко светиться, прежде чем пропасть за горизонтом событий. Такие объекты называются активным галактическими ядрами.

Самые яркие дыры

Иногда газа в окрестностях дыры оказывается так много, что дыра даже не в силах проглотить его полностью. И ей приходится выбрасывать излишки. Так как аккреционный диск давит на эти излишки с боков, им не остается ничего иного, как вылетать в виде двух тонких струй, так называемых джетов, перпендикулярных плоскости диска. Такие джеты очень часто видны в окрестностях самых ярких активных ядер – квазаров.

Эти объекты открыли около полувека назад. Светит квазар так ярко, что различить на его фоне саму галактику долгое время не представлялось возможным. Что это такое, астрономы гадали не одно десятилетие. Поначалу их даже приняли за какие-то необычные звезды, отсюда и название (англ. quasar, quasi-stellar object, «как бы звездный объект»), но потом выяснилось, что расстояние до квазаров – миллиарды световых лет.

Примерно 20-30 лет назад благодаря работам отечественных теоретиков Рашида Алиевича Сюняева и Николая Ивановича Шакуры, а также британца Мартина Риса, ныне королевского астронома Великобритании, стало ясно, что только падение газа на черную дыру может дать квазару достаточно энергии. А потом подоспели и наблюдатели, телескопы которых смогли наконец различить вокруг квазаров свет звезд их хозяйских галактик.

Яйцо и курица

По мере того как астрономы накапливали данные о квазарах и окружающих их звездах, стала выявляться странная связь между свойствами тех и других. Как оказалось, масса центральной черной дыры очень четко соответствует количеству окружающих ее звезд. Масса черной дыры почти всегда в 700 раз меньше, чем масса центрального звездного роя («балджа») хозяйской галактики. Это соотношение выполняется с разбросом примерно в два раза в ту и другую сторону; в астрономии, где разброс величин может достигать многих порядков, такая зависимость считается «очень четкой».

Причина этой странной связи считается одним из ключевых вопросов современной астрономии. Что прежде – яйцо или курица? Звезды подстраиваются под массу черной дыры, или дыра съедает ровно 1/700 часть окружающих ее звезд и ни грамма больше? Ведь и дыра со временем растет, поедая газ, и звезд рождается все больше и больше. И куда мы ни глянем – соотношение выполняется, как будто рост массы дыры и количества звезд согласован.

Есть намеки, что в самом далеком прошлом дыры все-таки были массивнее, чем «положено», а значит, это звезды догоняли рост дыры. Однако астрономы пока еще сами не уверены в таком результате: самые древние наблюдаемые нами объекты – они же самые далекие, и видно их плохо. Может, мы чего не учли, не различили часть звезд или обратили внимание лишь на самые массивные дыры?

Голая дыра

Несколько лет назад ученые, показалось, нашли объект, который поможет разрешить загадку. Он носит название HE0450-2958 и расположен на границе южных созвездий Эридана и Резца, но только далеко за пределами нашей звездной системы – в 3,2 миллиарда световых лет от нас. Это квазар, который светится, как несколько сотен миллиардов Солнц. Черная дыра в его центре примерно в 60 миллионов раз массивнее нашей звезды.

HE0450-2958 – уникальный объект. На сегодняшний день это единственный квазар, у которого до сих пор не удалось найти хозяйскую галактику, несмотря на все ухищрения наблюдателей. А если верить соотношению между массой дыры и полной светимостью окружающих ее звезд, увидеть мы ее должны. Зато относительно недалеко от квазара, примерно в 22 тысячах световых лет, они нашли небольшую галактику, а прямо в его окрестностях – крупное облако газа.

Исследовавшие этот объект ученые даже предположили, что HE0450-2958 – это первая «голая» черная дыра, без хозяйской галактики. И принялись исследовать ее с удвоенной силой в надежде, что она поможет разобраться в происхождении загадочной связи. Может быть, квазар покажет нам, как черная дыра «строит» вокруг себя богатую звездами галактику?

Из-под пыли

В работе, опубликованной в европейском журнале Astronomy & Astrophysics, астрономы представили результаты этих исследований. Они изучили HE0450-2958 в видимых и инфракрасных лучах, воспользовавшись 8-метровым телескопом VLT Южной европейской обсерватории в Чили и космическим телескопом имени Хаббла на околоземной орбите.

Инфракрасные наблюдения позволяют заглянуть за пелену пыли, которая могла бы скрывать хозяйскую галактику квазара – ведь не исключено, что она там есть, просто пыль скрывает от нас свет звезд. Для инфракрасных лучей пыль почти прозрачна – однако увидеть хозяйскую галактику все равно не получилось.

«Мы ничего не нашли, – говорит ведущий автор работы Кнуд Янке из Института астрономии германского Общества имени Макса Планка. – Вместо этого мы увидели, как соседняя с квазаром галактика рождает звезды с умопомрачительной скоростью». Соседка производит на свет по несколько сот светил в год – это в сотни раз больше, чем у обычных галактик тех же размеров.

Вспоможение себе

Ученые подозревают, что близость к квазару и звездный «бэби-бум» – вещи связанные. Еще раньше было известно, что одна из струй, истекающих из HE0450-2958, бьет точно в диск галактики-соседки. При этом она поставляет туда некоторое количество вещества и, что более важно, огромный поток энергии.

По мнению специалистов, именно эта энергия и может служить тем спусковым крючком, который запускает процесс рождения новых светил. Детали этого процесса пока не очень ясны, и механизмов такого индуцированного звездообразования предложено немало. Например, поток энергии может сжать вещество, запустив в галактике гигантскую звуковую волну сжатия. А может быть, он меняет свойства газа, позволяя ему эффективно охлаждаться, сжиматься и в конечном счете превращаться в новые звезды. Так или иначе, совпадение вряд ли случайно.

И, между прочим, в этом вспоможении звездорождению у квазара есть шкурный интерес. Соседняя галактика так близка к квазару, а их относительная скорость движения так невелика, что сомнений не остается – рано или поздно галактика и квазар сольются воедино. Звезды в этой единой системе перераспределятся, и вокруг сверхмассивной черной дыры появится полноценное звездное семейство.

Правда, конкретно в этом случае звезд рождается маловато для того, чтобы обеспечить необходимый синхронный рост квазара и окружающей его галактики. Но это не беда – в галактике есть и другие звезды, и все они рано или поздно будут кружиться вокруг черной дыры. Не так ли выросли и другие пары «черная дыра – звездная система»?