Астрономы обращаются с большими числами довольно бесцеремонно, но давайте остановимся и задумаемся о параметрах экстремальных черных дыр. Черная дыра в 40 млрд раз массивнее Солнца, имеет радиус Шварцшильда в 4 световых дня, следовательно, ее горизонт событий в 20 раз больше Солнечной системы до орбиты Плутона и других карликовых планет. Черная дыра вращается со значительной частью скорости света. Если внешние планеты Солнечной системы проходят орбиту за 250 лет, то этот намного более крупный объект совершает полный оборот за три месяца. В объем Солнечной системы втиснута масса маленькой галактики, но ее средняя плотность в 100 раз меньше, чем у воздуха, которым вы дышите. Черная дыра совершенно не излучает свет, но окружающий ее аккреционный диск ярко светится. Черная дыра такой массы в фазе активного квазара излучает в 100 трлн раз сильнее Солнца.
Что ждет самые массивные черные дыры во Вселенной? Галактики растут, поглощая газ из космического пространства, а также увеличиваются путем слияний. В обоих случаях источники скудеют. По мере увеличения Вселенной запасы газа истощаются, а галактики расходятся все дальше и сливаются реже. Масса всех звезд галактики коррелирует с массой ее центральной черной дыры – в диапазоне от черных дыр в 104–105 солнечных масс в шаровых скоплениях до черных дыр 106–107 солнечных масс в галактиках, подобных Млечному Пути, и далее до черных дыр в 1010 солнечных масс в эллиптических галактиках, совокупность звезд которых в триллион раз массивнее Солнца. Независимо от размера звездной системы центральная черная дыра составляет около 1 % массы ее звезд и всего 0,1 % массы галактики с учетом темной материи.
Я много лет пытался постичь жизнь и судьбу сверхмассивных черных дыр. Мы с моим студентом Джонатаном Трампом провели в общей сложности десятки ночей у 6,5-метровых телескопов в Аризоне и Чили. Благодаря современному оборудованию данные, которые когда-то приходилось копить всю жизнь, можно собрать за время, пока аспирант пишет диссертацию. В классической спектроскопии свет одной активной галактики проходит через щель инструмента и раскладывается в спектр. В инструменте, которым мы пользовались в Чили, маленькие щели наводились на сотни объектов в области неба размером с полную Луну. Одна долгая выдержка – и у вас есть 100 объектов с массой черной дыры. Из этих данных мы надеялись воссоздать связную картину расцвета и упадка активности квазаров во Вселенной. Квазары находятся очень далеко, и неважно, в какую сторону направлен телескоп, но я предпочитаю южное небо. Млечный Путь, протянувшийся над головой, как рваная серебряная занавесь, выглядит великолепно, а дополнительные бонусы – это соседние с нами галактики, Магеллановы Облака, разбросанные, словно ватные шарики, по черному полотнищу. На улице было так темно, что под светом звезд можно было читать книгу.
Мы собрали статистические данные, охватывающие всю линию эволюции черных дыр в масштабах космического времени. Для этого нужно учесть все черные дыры, не только экстремальные. Я избавился от юношеской одержимости блазарами и теперь хотел узнать, от чего зависит все население активных галактик. По аналогии, если вы заинтересуетесь составом автопарка, то насчитаете намного больше фордов и тойот, чем машин марки «Феррари» и «Астон-Мартин». Большой загадкой являлось то, что черные дыры активны лишь малую часть времени. Вторая тайна – тесная взаимосвязь между массой черной дыры в центре галактики и массой всех старых звезд в той же галактике, разбросанных на масштабные расстояния. Кажется, черная дыра «знает», в какой галактике живет.
По нашим данным, самые большие черные дыры быстро росли первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва, а затем у них кончилось топливо. Более многочисленные черные дыры меньшей массы росли медленнее, но в последние 5 млрд лет тоже в большинстве своем успокоились. Пик эры квазаров давно миновал, но черные дыры не исчезли, и можно предположить, что они «голодают», поскольку со временем их питание урезается. Это звучит разумно, так как расширяющаяся Вселенная становится менее плотной и частота слияний галактик снижается. Однако невозможно предсказать для каждой эпохи космического времени и конкретной массы галактики, какая черная дыра будет активной, а какая – спокойной. Столь же трудно предсказать будущее квазаров.
Мы превратили исследование в игру, разложив на столе карточки с описаниями квазаров, как филателисты. Некоторые квазары были яркими – не потому ли, что имели галактику-компаньона, которой кормятся? В отдельных случаях, но не всегда. Не потому ли некоторые из них тусклые, что живут в галактике, бедной газом? Необязательно. Мы не могли найти фактор, который запускал бы ядерную активность. Композиция нашей картины была логичной, но отдельные ее фрагменты были окрашены случайным образом.
Природа изобретательна: она создает черные дыры, массы которых различаются в миллиард раз (илл. 66). В ходе нашей работы мы ни разу не нашли черную дыру, превышающую 10 млрд солнечных масс. Что даже слегка удручает: я всегда мечтал упомянуть о таком открытии в своем резюме. Предсказания теоретиков устанавливают предел массы черной дыры в десять раз больше, около 1011 солнечных
[399]. На этом уровне становится важна физика процесса аккреции, независимо от массы родительской галактики. По-видимому, это естественный предел для черных дыр. Чтобы стать еще больше, черная дыра должна поглощать 1000 солнечных масс в год, а такое количество газа коллапсировало бы в новые звезды на пространстве в сотни световых лет, не успев достигнуть черной дыры. Кроме того, в черных дырах запускаются процессы саморегуляции. Испускаемое вовне излучение отталкивает поступающий газ и препятствует дальнейшему питанию. Раздувшееся чудовище жаждет пищи, но в доступных пределах ничего нет.
Эра звездных остатков
Хотя массивные черные дыры в центрах галактик приближаются к естественному пределу, смерть массивных звезд по-прежнему формирует новые черные дыры малой массы. Звездная эволюция – это битва между силами света и тьмы: энергия термоядерного синтеза поддерживает распухание звезды, а гравитация пытается заставить ее сжаться. Как мы видели, в Солнце эти силы будут в равновесии следующие 5 млрд лет, затем гравитация победит и сожмет ядро в белый карлик. Массивные звезды эволюционируют быстрее, и после победы гравитации от них остаются нейтронные звезды или черные дыры.
Вселенная катится во тьму. Первые звезды образовались примерно через 100 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенная была в 30 раз меньше и горячее, чем сейчас. Пик строительства галактик и формирования звезд произошел примерно через 3 млрд лет после Большого взрыва, и с тех пор наблюдается спад. Уровень формирования звезд в настоящее время составляет от 30 до 40 % от пикового, и спад продолжится, поскольку новым звездам доступно все меньше газа. Даже если мы будем ждать вечно, количество новых звезд оставит всего 5 % от числа возникших на данный момент
[400]. Это средние показатели: в любую эпоху в более массивных и богатых газом галактиках темпы формирования звезд выше, чем в менее массивных и бедных газом. Уменьшение количества доступного газа будет долгое время компенсироваться звездами, которые в конце жизни выбрасывают часть своей массы или гибнут как сверхновые.
