Первичные Чёрные Дыры. Разгадана ли тайна ранней Вселенной? Астрономия на QWERTY
[музыка] Привет, Кирилл Масленников, Пулковский астроном, ведущий научно-популярного канала. Знаете, я сегодня беспокоюсь за наш ролик, волнуюсь. Потому что всегда у нас много материала изобразительного, много видео, фотографий, а вот сегодня я собираюсь говорить об объектах, которых никто никогда не видел, поэтому нет ни фото, ни роликов, ни видео. Есть только компьютерные симуляции, симуляции чёрных дыр.
Все знают, конечно, что такое чёрные дыры, даже маленькие дети уже представляют себе, что это такое. Но я хочу напомнить, что никто никогда в жизни ни одной чёрной дыры не видел. И всё, что мы себе представляем во всяких там фильмах "Интерстеллар" и так далее – это всё не более чем мультики, картинки, построенные иногда, конечно, на основе умных уравнений. Но вы знаете, что уравнения можно написать всякие разные, а вот как они действительно выглядят, эти объекты – да, есть ли они вообще на самом деле? В общем-то, честно говоря, никто точно сказать не может.
Поэтому вам придётся в основном сегодня видеть мою вот рожу, мою жестикуляции и больше ничего. А это, как бы, это плохо не кончилось. Но хватит уже этих вступлений. Давайте поговорим о том, что, собственно, я хотел вам сказать. Сюжет опять всё тот же. Мы снова рассматриваем одно из главных загадок нашей науки, о которой я уже говорил в начале года, когда представлял четыре загадки современной астрофизики. Это самое главное из загадок – почему так быстро развивалась ранняя Вселенная. Как-то она не так развивалась, как мы ожидали; там всё происходило гораздо быстрее: быстрее образовывались звёзды, быстрее росли галактики, быстрее появлялись металлы. Всё происходило быстрее, почему-то, и почему до сих пор неизвестно.
Но вот сейчас появились две, с моей точки зрения, очень важных, просто кардинально важных работы, которые абсолютно новый свет проливают на этот вопрос. Одной из частей вот этой многосторонней загадки развития ранней Вселенной – раннее развитие квазаров. Вы наверняка помните, что такое квазары. На всякий случай я напомню тем, кто первый раз всё это видит, что квазары – это, по нашим нынешним представлениям, сверхмассивные, огромные чёрные дыры, находящиеся в ядрах галактик, окружённые гигантскими акционными дисками, излучающие невероятное количество энергии. И поэтому мы видим их буквально с горизонта Вселенной, с дальнего конца Вселенной.
Они доходят до нас в виде звездообразных квазаров. Тоже, как нам стало известно благодаря наблюдениям телескопа Джеймса Уэбба, развиваются необычно быстро. Мы наблюдаем на возрасте в несколько сотен миллионов лет после большого взрыва, наблюдаем квазары с массами в миллионы, десятки миллионов, даже сотни миллионов солнечных масс. Откуда успели набраться такие массы чёрных дыр за эти несколько сотен миллионов лет – непонятно.
Таким образом, мы будем сегодня говорить о вот этой проблеме ранних квазаров – почему они такие массивные. Давайте вспомним, что квазары – это сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик. Если сравнить массу самого квазара, центральной чёрной дыры и массу окружающей её галактики, то есть массу вот этого звёздного скопления газа, пыли, которые вокруг этой чёрной дыры вращаются, если отношение массы квазара к массе всех звёзд такой же примерно, как в нашей галактике, то это означает, что квазар получился из галактики.
Вот, вы знаете, что в центре Млечного пути имеется сверхмассивная чёрная дыра. Правда, это не квазар, это спящая чёрная дыра, у неё нет акционного диска, но мы видим её по орбитам звёзд, которые поблизости от неё вращаются, и мы знаем, что у неё масса 4 миллиона солнц, масса всей остальной галактики – это примерно 400 миллиардов солнц.
Значит, вот сами соответствующее отношение, если мы возьмём ранний квазар, если мы увидим, что по-прежнему ранний квазар, ранняя чёрная дыра значительно менее массивно, чем окружающие звёзды, значит, получается, что чёрная дыра образуется из вот этих вот масс вещества в самой галактике. Если же дело обстоит наоборот: масса центральной чёрной дыры большая по сравнению с массой окружающих звёзд, значит, квазар взялся из какого-то другого источника.
И вот тут возникает такое замечательное явление, замечательный объект, чисто гипотетический пока, но который мог бы решить нам загадку ранней Вселенной – это первичные чёрные дыры. Это чёрные дыры, которые существовали до всяких галактик, до звёзд. Чёрные дыры, которые могли появиться в процессе большого взрыва, мы не знаем, как это было. На этот счёт нет пока никаких обоснованных предположений. Но если это было так, то тогда мы решили загадку ранней Вселенной каким-то образом при большом взрыве, конечно, после инфляции, потому что инфляция бы плотно охватила первичные чёрные дыры.
А потом уже вокруг себя они нагрели вещество, в нём образовались звёзды, в нём стал идти нуклеосинтез, и как-то можно согласовать этот возраст с тем, что мы реально наблюдаем в ранней Вселенной. Первичные чёрные дыры – это отдельная история, про это можно делать было бы отдельный ролик. Хотя мы не знаем, есть ли они на самом деле. Эта идея в первый раз возникла, опять, у того же вездесущего Якова Борисовича Зельдовича, знаменитого советского академика, одного из отцов бомбы атомной, который после того, как кончилась вся эта суета вокруг оружия в шестидесятых-семидесятых годах, ушёл в космологии, сделался одним из крупнейших в мире специалистов именно по рождению Вселенной.
Вот ему-то в 1967 году вместе с Игорем Дмитриевичем Новиковым, учеником, как раз пришла в голову эта мысль, что могут существовать первичные чёрные дыры. Все галактики вышли из одного места. Вот такой удивительный вывод получается: когда мы смотрим на галактики в самых разных направлениях, оказывается, все они вышли из одного места. Он опубликовал статью в "Советском астрономическом журнале", а через несколько лет Хокинг подхватил эту идею и построил такую достаточно увлекательную теорию этого дела, в которую уже входил фактор испарения чёрных дыр излучением Хокинга.
Отсюда, в частности, следует, что если эти первичные дыры остались до настоящего момента, они могут занимать очень широкий спектр масс. Мы-то сейчас знаем три основных вида чёрных дыр: звёздные чёрные дыры, которые получились в результате коллапса ядра, сверхмассивные дыры с массами в несколько десятков солнц, гипотетически промежуточные массы, которые могли образоваться, скажем, в недрах шаровых звёздных скоплений массой в тысячи солнц, и, наконец, сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик, которые имеют массы миллионы, миллиарды, сотни миллионов, десятки миллиардов солнечных масс.
Но если предположить, что чёрные дыры могли возникать в результате большого взрыва разных масс, вплоть до того, что могут существовать первичные дыры с массой порядка малой планеты, имеющие размер атома, и они могут существовать в нашей солнечной системе. В частности, именно так можно объяснить и тайну тёмной материи. Она может состоять из таких микроскопически маленьких чёрных дыр, которые никак не производят никаких поглощений света.
Короче, это страшно увлекательный вопрос, о котором мы обязательно с вами поговорим. Но вернёмся к работе, о которой я собирался вам рассказать. Я в прошлом ролике рассказывал о знаменитой обсерватории китайских астрономов, которая находится в Тибете и изучает космические лучи. Главный автор работы, о которой я говорю, тоже китаец, американский китаец. Это в Кембридже, с ним работали специалисты из Австрии, из Японии. В общем, это как сейчас нормально в нашей науке, то в нашей стране это нормальная международная команда, которая работала с телескопом Джеймса Уэбба.
И вот какую задачу они перед собой поставили: они выбрали очень далеких квазаров на расстояниях на серка 8. То есть это несколько сотен миллионов. [музыка]
С задачей выделить из вот этого источника точечного, выделить изображение одного только квазара, тем самым попытаться найти отношение масс квазара к окружающему очень слабому, предельно слабому фону, который создавалась материнская галактика. При этом квазар, скажу, МСТ, и те задачи на картинке – реальное изображение, которое получал Теймс Уэбб. Это задача на пределе точности измерений, потому что яркий центральный источник не позволяет точно оценить яркость окружающей его области, приходится маскировать его, приходится моделировать функцию рассеяния точки и смотреть, как модельная функция рассеяния отличается от реальной.
Мы, кстати, сделали очень похожую работу несколько лет назад с близким блазером 0716. Это близкий яркий блазар, и там это всё было сделать гораздо легче. Мы сделали это на шестиметровом телескопе. А здесь это, конечно, виртуозная ювелирная работа, которую им удалось сделать. Сам квазар удалось выделить по линии H бета его излучения, и потом маскировать центр и получить вот это отношение масс.
Так вот, внимание: отношение масс квазара к окружающим диффузным областям оказалось примерно 1 к 100000. Понимаете, что это значит? Я уже сказал вам сегодня, что в нашей галактике это типично для нынешней Вселенной отношение – это отношение примерно 1 к 100000. А тут – 1 к 100000.
Что это означает? Разумеется, это означает, что не квазар получился из галактики, а галактика собралась благодаря наличию в этом месте уже готового, существующего сверхмассивного объекта. Но вот тут мы можем привлечь вот эту идею первичных чёрных дыр, и тогда может быть, у нас есть свет в конце туннеля. Вот такая удивительная работа. И, кстати, она дополнена ещё одной, тоже только что вышедшей, и вот из этих работ сделано тоже на телескопе, но там тоже огромная международная кооперация, там около 30 авторов из большого количества стран.
Их работа как раз очень хорошо совпала с этой. Они наблюдали на телескопе слияние двух сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Это первое наблюдение такого типа, и оно как раз может нам подсказать, как дальше функционировали, как эволюционировали вот эти сверхмассивные первичные объекты, развиваясь постепенно в ранней Вселенной.
Мы вот на этих кадрах, которые вы сейчас видите, наблюдаем симуляцию слияния двух сверхмассивных чёрных дыр в несколько десятков миллионов солнечных масс на возрасте примерно 700 миллионов лет после большого взрыва. Вот две этих работы вместе, если их сопоставить, дают нам очень хорошую надежду на то, что следующим шагом будет поиск сверхмассивных первичных чёрных дыр. Это открывает нам совершенно новые горизонты.
Я уже сказал, это возможность объяснения тёмной материи, это и решение проблемы ранней Вселенной, это ещё несколько очень экзотических тем, в частности – вот эта идея Армина, которую, казалось бы, давно все оставили, о том, что в недрах звёзд могут находиться какие-то непонятные фрагменты сверхпластичности звёзд. В общем, здесь открываются великолепные горизонты, не сомневаюсь, что мы об этом ещё скоро услышим. Подписывайтесь на наш канал. До свидания. Пока. [музыка]