Сверхмассивные черные дыры

В предыдущих видео о массивных звёздах и черных дырах вы узнали, что если остаточное ядро массивной звезды достаточно велико, то гравитационное сжатие, вызванное силами тяготения, рано или поздно преодолеет внутреннее давление вырожденного вещества, состоящего из электронов, нейтронов и даже кварков. В итоге звезда сожмется в точку, то есть произойдет коллапс. Такая точка называется черной дырой. Черные дыры. Еще вы узнали, что каждая черная дыра окружена горизонтом событий. Если какой-нибудь объект приблизится к границе горизонта событий или пересечет ее, у него не будет ни малейшего шанса вырваться из сферы притяжения черной дыры: он сможет двигаться только в направлении к ней. Это касается и света, поэтому ее и называют черной дырой. И хотя вся масса черной дыры сосредоточена в ее центре, тем не менее, вся поверхность горизонта событий (обозначим ее фиолетовым, но ей положено быть черной), эта сферическая поверхность, окружающая черную дыру, будет выглядеть абсолютно черной, не излучая никакого света. Сейчас описанный выше тип черных дыр ученые называют черными дырами звездных масс. Черные дыры звездных масс. Так как они образуются из сколлапсировавших массивных звёзд. Самая большая наблюдаемая черная дыра звездной массы имеет массу около 33 солнечных. 33 солнечных массы. А вначале она была еще массивнее. Дело в том, что эта величина означает массу остатка звезды, а большую часть своей исходной массы звезда обычно теряет при вспышке сверхновой звезды. Однако сейчас известен (в основном теоретически, а не благодаря наблюдениям) и другой класс черных дыр, и это нечто непостижимое. Они называются сверхмассивными черными дырами. Сверхмассивные черные дыры. В некотором смысле приставка «сверх» не отражает их масштабов, поскольку сверхмассивные черные дыры не просто чуть больше по массе, чем черные дыры звездной массы, они намного массивнее. Их масса составляет примерно от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Возможно, они образуются при коллапсе больших газовых облаков, в результате аккреции газа на черную дыру звездной массы. Но вот что интересно (кроме факта их сверхгигантской массы): непохоже, что существуют чёрные дыры промежуточных размеров, или, по крайней мере, их до сих пор не обнаружили. Повторим главное вкратце. Масса самой большой черной дыры звездной массы около 33 солнечных. Также считается, что существуют сверхмассивные черные дыры в основном в центрах галактик. Полагают, что большинство, если не все, центры галактик на самом деле содержат такие сверхмассивные черные дыры. Но при этом возникает интересный вопрос: если все черные дыры образовались из сколлапсировавших звезд, почему нельзя обнаружить черные дыры средних масс? Одна из теорий образования очень массивных черных дыр гласит, что если обычная черная дыра звездной массы окажется в районе большого скопления вещества, то она может нарастить свою массу путем аккреции. Нарисуем горизонт событий вокруг черной дыры. Истинная черная дыра находится в его центре, или точнее, ее масса сосредоточена в центре горизонта событий. Затем со временем на черную дыру будет падать все больше и больше вещества, в результате присоединяясь к ней. Таким образом, черная дыра будет наращивать массу. Будет наращивать массу. Это вполне похоже на правду: по крайней мере, масса под горизонтом событий будет увеличиваться, тем самым расширяя радиус. Сейчас это наиболее правдоподобное объяснение, основанное на достижениях современной науки. Но не вполне приемлемое. Если бы существование сверхмассивных черных дыр объяснялось аккрецией, можно было бы ожидать частого наблюдения черных дыр средней массы, возможно, массой в 100 масс Солнца, или в 1000, или в 10 000 солнечных масс. Но сейчас мы их не наблюдаем: наблюдения показывают существование или черных дыр звездной массы, или сверхмассивных. Есть и другое возможное объяснение, и я с большей охотой склоняюсь к нему, так как оно поясняет причину провала в распределении масс, что сверхмассивные черные дыры в действительности образовались вскоре после Большого Взрыва из первичных флуктуаций материи Вселенной. Такие черные дыры называются первичными. Давайте вспомним, какое необходимое условие образования черной дыры. Это поразительная величина массовой плотности вещества. Если существует очень большая масса в очень малом объеме, то под действием собственной гравитации она будет сжиматься еще больше. Силы тяготения в конце концов преодолеют давление вырожденного электронного газа, затем давление вырожденных нейтронов и даже кварков. В результате объект, как принято считать, сколлапсирует в нечто подобное единой точке. Здесь нужно кое-что прояснить. Мы не можем знать, действительно ли это точка, так как проникнуть в черную дыру нельзя. Просто математическая теория черных дыр, по крайней мере в современном виде, говорит, что все вещество дыры стягивается в единую точку, в которой уравнения теряют смысл. Так что на самом деле мы не знаем в точности, что происходит в этой крошечной центральной точке. Но излишне говорить, что вещество в ней будет иметь невероятную плотность, возможно, бесконечную или почти бесконечную. Лично я предпочитаю гипотезу первичного образования сверхмассивных черных дыр сразу после формирования нашей Вселенной еще и потому, что вещество Вселенной было тогда гораздо плотнее, так как вся она была намного меньше. Представим себе, что мы находимся в периоде времени сразу после Большого Взрыва. Но прежде чем говорить о космологических основах происхождения черных дыр, нужно обсудить постулат об относительной однородности Вселенной. Она была сверхплотной, но в общем и целом однородной. В такой Вселенной нет центров конденсации, которые позднее могли бы сколлапсировать в черные дыры. Если выбрать в ней любую точку, она окажется окружена огромным количеством вещества. При полной однородности вещество окружает эту точку равномерно со всех сторон, так что силы тяготения должны быть одинаковы во всех направлениях. Однако сразу после Большого Взрыва из-за микроскопических квантовых флуктуаций во Вселенной могли возникнуть первичные неоднородности. Поэтому предположим, что вещество на ранней стадии было слегка неоднородным, хотя и невероятно плотным. Пусть имеется некоторая среда, где есть области с различной плотностью, то есть она неоднородна в малых масштабах и чрезвычайно плотна. И здесь внезапно получаются типичные отклонения от однородности, необходимые для формирования черной дыры. Там, где плотность выше, образуется давление, направленное внутрь, которое обусловлено собственной гравитацией вещества. Гравитационное притяжение от объектов снаружи этой области будет слабее, чем притяжение по направлению к ее центру. И чем больше вещества притягивает эта область, тем больше нарушается однородность. Таким образом, сразу после Большого Взрыва в первичной Вселенной, заполненной материей очень высокой плотности с малыми флуктуациями, вполне могли существовать условия для образования сверхмассивных черных дыр. В такой огромной массе материи, упакованной в столь малый объем, было бы достаточно легких отклонений от однородности, чтобы масса в них могла нарастать как снежный ком. Таким образом, все больше и больше вещества собиралось бы в эти сверхмассивные черные дыры, пока их масса не достигла бы от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Можно выдвинуть и более интересную гипотезу: со временем эти черные дыры могли стать центрами будущих галактик. Дело в том, что при формировании сверхмассивных черных дыр в них должна была стянуться не вся материя Вселенной, а только вещество, не имеющее большой угловой скорости. Объекты, движущиеся достаточно быстро, не притянулись бы к черной дыре, а начали бы вращаться по орбите вокруг нее. Можно представить себе, что именно так образовались ранние галактики, возможно, и наша Галактика. На этом месте вы могли бы задуматься: существует ли черная дыра в центре Млечного Пути? Считается, что она там есть. Это может подтвердить тот факт, что в центре Вселенной (простите, в центре Галактики) имеется некий объект, вокруг которого, по наблюдениям, звезды вращаются очень быстро. Еще раз уточню: не в центре Вселенной! Единственное приемлемое объяснение такого быстрого орбитального вращения в том, что там находится массивный объект высокой плотности, или черная дыра, или какое-то образование, которое со временем в нее превратится. Расчеты показывают, что, судя по вращению звезд вокруг галактического центра, масса сверхмассивной черной дыры Млечного Пути должна составлять порядка 4 млн масс Солнца. Надеюсь, это даст вам пищу для размышлений. Подведем итоги. Существуют не только сколлапсировавшие черные дыры звёздных масс, но и сверхмассивные черные дыры. Возможно, первые каким-то образом вырастают во вторые, однако черные дыры средних масс до сих не наблюдались. Можно предположить, что сверхмассивные черные дыры — отдельный класс объектов, которые образуются особым образом. Возможно, они сформировались на ранних стадиях развития Вселенной, когда в материи появились первичные флуктуации плотности, ставшие центрами конденсации вещества. В следующем видео мы поговорим о том, как эти сверхмассивные объекты могут содействовать образованию невероятных источников излучения, хотя сами черные дыры, как вы понимаете, ничего не излучают. Вы узнаете, что такое квазары. Subtitles by the Amara.org community