Все большие галактики имеют сверхмассивные черные дыры, но из этого не следует, что все они проявляют активность квазаров. Откуда нам известно, что активность квазаров эпизодична и не является неотъемлемым свойством определенной группы галактик? Трудно ответить на этот вопрос, потому что астрономы не могут заглянуть в конкретные галактики и отследить их эволюцию. Они проводят исследования, охватывающие большое число галактик всех эпох, и на основе полученных данных составляют «моментальный снимок» активности определенной эпохи.
В последнее десятилетие я занимался исследованиями именно в этой области. Моя цель – понять процессы роста и взаимосвязи черных дыр и галактик. Мне нравятся астрономические исследования – они существенно отличаются от исследований в физике, для которых требуются тысячи сотрудников и инструменты, постройка которых занимает десятилетие. Я все еще могу, вооружившись хорошей идеей и взяв в помощь магистранта, засесть на несколько ночей перед телескопом и этим внести вклад в развитие науки.
Именно поэтому мы с Джонатаном Трампом оказались в предгорьях Анд: смотрели, как темнеет небо над горной цепью, и подготавливали лист наблюдений. Нас интересовал волшебный период роста черных дыр – от 3 до 10 млрд лет после Большого взрыва, когда галактики по большей части завершили слияния, а черные дыры подъели почти все, что смогли. В частности, мы пытались установить нижнюю границу активности ядер галактик. При каком минимальном уровне аккреции черная дыра может светиться как квазар? Мы сумели найти черные дыры в 10 млрд световых лет – спящие, как и черная дыра в центре нашей Галактики. В нашем распоряжении была новая технология – фотопластинкам, которыми я пользовался в Австралии 30 годами раньше, пришел конец. Одна ночь везения – и мы могли не только обнаружить 300 квазаров, но и измерить массы их черных дыр.
Джон был энергичным новичком, а я – убеленным сединами ветераном, но на деле мы часто менялись ролями. Со временем я не утратил интереса к исследованиям и иногда, поторопившись со сбором данных, допускал серьезные промахи, а Джон обуздывал мои порывы и брал управление телескопом в свои твердые руки. Однажды посреди ночи мы уперлись в облака. Я пытался проявлять терпение. Фотоны проделали путь в миллиарды лет, чтобы попасть в большую линзу нашего телескопа, и несколько лишних часов ничего не решали. Я вышел на улицу и стал смотреть, как расчищается небо. К западу вплоть до Тихого океана громоздились облака. На востоке контур Анд четко вырисовывался на фоне звездного поля. Над головой кондор беззвучно описывал круги.
Мы провели последнюю ночь у телескопа, опустошенные и печальные. На закате нам довелось увидеть зеленый луч. Раз в год получить неделю работы за большим телескопом – большая удача для астронома. Если в эти ночи облачно, придется вернуться в следующем году. Еще один сеанс – и мы с ним расстанемся.
Мы изображали полученные данные точками на диаграммах и ломали головы. У некоторых квазаров были мощные черные дыры, но слабенькое излучение. Другие при крошечных черных дырах ослепительно сияли. Механизм их питания оставался загадкой. За неделю мы насобирали 500 черных дыр, но это была жалкая горстка для Вселенной с сотнями миллиардов галактик, каждая из которых скрывает в себе черную дыру. Казалось, черные дыры беззвучно смеются над нами, тщательно оберегая свои секреты.
Как мы уже узнали, для постоянной яркости уровня квазара достаточно аккреции нескольких солнечных масс в год. Столь скромное потребление предполагает два вывода. Первое: в центральных областях галактик немного газа, и черные дыры редко заглатывают звезды целиком, поэтому топливо истощается менее чем за 100 млн лет. Газ просачивается в галактику из межгалактического пространства, а также добавляется при слиянии галактик, но сейчас, когда Вселенная велика и галактики далеко разнесены, оба процесса неэффективны. Поскольку «топливо» черной дыры расходуется намного быстрее, чем время, необходимое для расцвета и упадка наблюдаемой популяции квазаров, отдельные квазары должны быть «включены» малую часть времени и «выключены» большую часть времени.
Второе: скромные темпы роста черных дыр означают, что они не должны слишком быстро дорастать до огромных размеров. Однако они дорастают! Слоуновский цифровой небесный обзор ищет квазары в пределах первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва. Старейший квазар, обнаруженный на данный момент, – яркий квазар с красным смещением z = 7,5. Из этого следует, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс сформировались и выросли в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва
[243]. Это не соответствует медленному, постепенному развитию больших галактик из маленьких путем слияний. Не согласуется это и с пределом роста черной дыры, который 100 лет назад вывел Артур Эддингтон. Невозможно от «семечка» в 10 солнечных масс, что типично для черной дыры, остающейся после смерти массивной звезды, дорасти за миллиард лет до миллиарда солнечных масс. Чтобы возникли древние яркие квазары, нужно было «семечко» в 10 000 масс Солнца.
Недавние расчеты предложили такое объяснение. В первой волне формирования галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва фоновое излучение поначалу препятствовало образованию звезд. Если они все-таки возникали, это был стремительный бурный процесс, оставивший после себя множество маленьких черных дыр, которые в условиях высокой плотности среды сливались в «семена» черных дыр – от 104 до 106 солнечных масс
[244]. Вследствие стремительного скачка черные дыры смогли дорасти за следующие полмиллиарда лет до сверхмассивного уровня (миллиард или больше солнечных масс).
Гипотеза обратной связи увязывает наблюдения воедино. Черная дыра имеет симбиотические отношения с родительской галактикой. Она не может вырасти или зажечься, как квазар, не получая газ из центральных областей галактики. Однако когда она активна, то выделяет так много энергии, что выталкивает газ из центральных областей галактики и подавляет формирование звезд. В активной фазе, продолжительностью 10 млн лет, квазар излучает 1053 Дж энергии. Это примерно равно гравитационной энергии, удерживающей звезды на орбитах в большой галактике. Очевидно, энергии квазара хватит, чтобы разрушить галактику. За счет обратной связи квазары отталкивают газ и глушат собственную активность. Обратная связь сводит в единое целое эволюцию внутренней области галактики и черной дыры в ее центре, и это объясняет замеченную астрономами корреляцию между массой черной дыры и массой звезд с гораздо большими масштабами распределения
[245].
