Наконец, человечество узнало истинные масштабы Вселенной и потерялось в них. Она оказалась невообразимо более обширной, чем кто-либо когда-либо мог представить.
88. Откуда мы знаем, как далеко галактики?
Галактики — это строительные блоки Вселенной, поэтому вопрос «Как мы узнаем расстояния до галактик?» является синонимом вопроса «Откуда мы узнаем размер Вселенной?».
Чтобы найти расстояние до галактики, необходимо найти «стандартную свечу» — объект, светимость которого мы можем сравнить с аналогичными объектом, расположенным рядом.
Для ближайших галактик астрономы используют переменные цефеиды. Период, в течение которого они меняют свой блеск, связан с их истинной светимостью.
Цефеиды высокой светимости были замечены в галактике М100, что позволило определить расстояние до них в 56 млн световых лет за пределами Млечного Пути.
Двигаясь дальше, астрономы должны найти более яркие свечи, чем цефеиды: сверхновые типа la.
Сверхновые типа la возникают в двойных системах, в которых одна звезда сжимает вещество до суперкомпактного «белого карлика» размером с Землю, вызывая его взрыв.
Широко распространено мнение, что, когда такие белые карлики, наконец, взрываются как сверхновые, они всегда имеют одинаковую светимость.
Сверхновые типа la такие яркие, что они видны на краю Вселенной. Так были получены оценки расстояний до самых отдаленных галактик.
Измерения космических расстояний позволяют оценить «постоянную Хаббла», которая устанавливает масштабы Вселенной. Лучшая текущая оценка: 73 (км/с)/Мпк.
Это означает, что две галактики, разделенные расстоянием в 1 мегапарсек (3,26 млн световых лет), в среднем разлетаются со скоростью в 73 км/с из-за расширения в результате Большого взрыва.
Скорость галактик определяется из «растяжения» приходящих от них световых волн (красное смещение). Зная это и постоянную Хаббла, можно оценить расстояние.
Примечание: расстояние не вполне реальное. Дело в том, что при расчетах с использованием скорости света мы всегда получаем расстояние до движущегося объекта, существовавшего в «более раннее время».
Поэтому у астрономов принято ссылаться не на вычисленное расстояние до галактики, а на красное смещение как на более реальную меру ее удаленности от нас.
Квазары, или квазизвездные объекты, подобные звездным булавочным уколам света, находятся далеко за пределами расстояния, на котором может быть видна любая звезда.
Первооткрыватель квазаров (1963) — голландско-американский астроном Маартен Шмидт. Другие астрономы видели их, но он был первым, кто обосновал их существование.
Чтобы сверкать так ослепительно, находясь на ошеломляюще огромном удалении во Вселенной, квазары должны быть необыкновенно яркими.
Типичный квазар испускает 100-кратную энергию нормальной галактики типа Млечного Пути. Невероятно, но она исходит из объема меньшего, чем Солнечная система.
Ядерная энергия здесь ни при чем. Единственный возможный источник — «гравитационная энергия», высвобождаемая материальным объектом, падающим к центру черной дыры.
Свет излучается «аккреционным диском»[24] квазара, образующимся при поглощении черной дырой его вещества, разогреваемого до белого каления из-за завихрений, подобных воронке в сливном отверстии.
Здесь речь идет не об обычной черной дыре, а о «супермассивной». Самые яркие квазары имеют почти в 30 млн раз большую массу, чем Солнце.
После открытия квазаров окружающие звезды кажутся «пушинками». Квазар это суперъяркое «ядро» галактики, затмевающее все остальное.
Квазары — примеры чрезвычайно «активных галактик», чей свет преимущественно обязан не звездам, а супермассивной черной Дыре.
Активных галактик приблизительно 1 % от общего числа. В дополнение к квазарам другие типы включают эллиптические «радиогалактики» и спиральные «сейфертовские»[25] галактики.
Возможно, большинство галактик — даже наша собственная — прошли через активную фазу (квазар) в юности. Она закончилась, когда центральная черная дыра исчерпала топливо.
Сегодня вокруг нас нет квазаров. Их расцвет происходил миллиарды лет назад. Мы видим их сияние в наши телескопы подобно бриллиантовым маякам, светившим на заре времен.
90. Разве лишь в нескольких галактиках скрываются гигантские черные дыры?
В течение длительного времени после того, как квазары были обнаружены, их считали аномалиями — космическими диковинами, не связанными с нормальными галактиками.
Постепенно стало понятно, что большинство, если не все галактики, содержат в сердцевине супермассивные черные дыры — от миллионов до миллиардов масс Солнца.
Большинство супермассивных черных дыр являются неактивными, сидят, сложа руки, и часто их трудно видеть, потому что они скрываются в межзвездной пыли.
Даже Млечный Путь скрывает супермассивную черную дыру, хотя и скромную. Стрелец А* имеет массу приблизительно в 4,3 млн солнечных масс.
Имеется сильное подозрение, что большинство галактик, включая нашу собственную, прошло активную фазу квазара в юности. Он выключился, когда поступление газа закончилось.
Квазары, должно быть, вспыхивали в ранней Вселенной, потому что тогда было полно пищи вокруг. Газ был тогда израсходован на формирование звезд.
Так, галактики находились раньше ближе друг к другу (Вселенная расширяется). Столкновения галактик обеспечивали кормом центральную черную дыру.
Сверхмассивные черные дыры крохотны, а галактики велики. Но как ни странно, их свойства связаны. Черные дыры составляют 1/700 массы центральной выпуклости звезд.
Намекнем на близкую связь между черными дырами (ЧД) и галактиками. Либо галактика породила ЧД, либо ЧД породила галактику. Или они родились вместе.
Точный характер связи между супермассивными черными дырами и галактиками — одна из величайших нерешенных загадок в космологии.
91. Почему существуют гигантские черные дыры в галактиках?
В стандартной картине галактики образуются первыми. Позже возникают гигантские черные дыры, находящиеся в сердцевинах большинства, если не всех, галактик.
Сценарий: сердцевины первых галактик — меньших, чем сегодняшние, — набиты звездами. Они взорвались и оставили черные дыры, которые столкнулись/слились.
В переполненной ранней Вселенной галактики сталкивались, формируя большие галактики. В этом процессе центральные черные дыры сливались, становясь еще больше.
За последние 10 млрд лет такие «сверхмассивные» черные дыры (СМЧД) продолжали расти, пожирая газ и звезды вокруг галактик.
Проблемы со сценарием: хаотичность. Не объясняет, почему центральные дыры неизменно составляют 1/700 массы первичного галактического материала центральной звездной выпуклости.
Возможное объяснение: «струи». Сверхмассивные черные дыры вращаются и часто выпускают тонкие нити струй материи из своих полюсов (осей вращения).
Струи, как полагают, управляются, удерживаясь энергией магнитного поля, которая жестко скручивает их в супергорячий «аккреционный диск», вращающийся вокруг черной дыры.
Когда струи формируются, они сдувают газ — сырье для новых звезд, — препятствуя образованию звезды, что может объяснить величину отношения массы СМЧД и массы выпуклости.
Но некоторые, в том числе Джозеф Силк (Joe Silk) в Оксфорд думают, что сценарий развивался в обратном направлении, галактики создают СМЧД, а наоборот, галактики создаются сверхмассивными черными дырами.
По мнению Силка, после Большого взрыва остывшие обломки сгустились в гигантских облаках газа — предшественниках галактик, но оставались там, ничего не делая.
Ядра некоторых из них были настолько плотными, что сжались из-за собственной гравитации и сформировали сверхмассивные черные дыры. Тогда включились струи, рассекая пространство на миллионы световых лет.
Там, где струи врезались в инертное газовое облако, они сжали газ, запуская источники формирования звезд — создавая новую галактику.
Доказательство: квазар НЕ0450–2958, плавающий в пространстве, примерно в 23 000 световых лет от галактики (приблизительное расстояние Солнца от центра Млечного Пути).
НЕ0450–2958, похоже, не имеет никакой окружающей галактики. Известен как «голый квазар»[26] — СМЧД, плавающая одиноко в пустоте.
Важно отметить, что струя от голого квазара ударяет как лазерный луч в галактику. Некоторые полагают, что струя квазара родила галактику.
92. Как гигантские черные дыры стали настолько большими так быстро?
Некоторые из наиболее отдаленных квазаров, которые образовались вскоре после Большого взрыва, уже содержали черные дыры с 10 млрд масс Солнца.
Существование чудовищных черных дыр в столь ранней истории Вселенной ставит сложный вопрос: как они стали настолько большими так быстро?
В стандартной картине черные дыры звездных масс в первых галактиках объединились в большие дыры. При столкновении галактик их дыры объединялись.
Такой многоступенчатый процесс должен был действительно протекать очень быстро, чтобы объяснить присутствие чудовищных черных дыр уже в самых далеких квазарах.
Американский астрофизик Митчелл Бегельман предложил альтернативный и более быстрый возможный путь создания сверх-массивных черных дыр.
Глубоко внутри облако сжимается, образуя одну из первых галактик, газ становится настолько плотным, что формируется гигантская черная дыра — без предварительного формирования звезд.
Центральная черная дыра быстро растет, питаясь окружающим газом, который поставляется ей с высокой скоростью, так как газовое облако все еще сжимается.