Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Выяснился очень интересный факт: масса центральной сверхмассивной черной дыры пропорциональна массе сферического балджа. Это объясняет, хотя бы частично, деление сейфертовских галактик на типы: сейферты-3 с небольшим балджем проявляют более слабую активность ядра, чем сейферты-1 раннего типа, поскольку сейферты-1 обладают более крупными черными дырами, чем сейферты-3. Эти рассуждения можно распространить и на квазары: их черные дыры еще крупнее, чем у сейфертов-1 (ведь они ассоциируются с эллиптическими галактиками), поэтому квазары проявляют большую активность ядра. Радиогалактики находятся между сейфертами-1 и квазарами, так как их центральные черные дыры имеют как раз промежуточную массу между черными дырами сейфертов-1 и черными дырами квазаров.

Рис. 26.11. Сейфертовская галактика NGC 7742, сфотографированная космическим телескопом «Хаббл». С разрешения HST/NASA/ESA.

Чтобы центральная сверхмассивная черная дыра стала ярко светить, ей нужна «пища» — в ее окрестностях должен оказаться газ. Нам известны по крайней мере два способа это сделать. Гравитационные приливы, вызванные соседней галактикой, возмущают галактический диск и вызывают мощное течение газа к центральной черной дыре. Это может привести к усилению активности сейфертовских галактик по сравнению с «нормальными» неактивными галактиками. При слиянии галактик, когда большая галактика проглатывает меньшую, центральные черные дыры обеих галактик опускаются к центру новой, объединенной галактики и образуют двойную систему. Эта двойная черная дыра притягивает газ гораздо сильнее, чем одиночная. И в самом деле, в квазарах часто видны признаки слияния в прошлом двух галактик. А в некоторых случаях даже есть свидетельства наличия двойного ядра.

Какова бы ни была причина активности квазаров, ясно одно: в прошлом было гораздо больше квазаров, чем сейчас (поскольку квазаров с большим красным смещение намного больше, чем с малым). Точно так же и ярких радиогалактик в прошлом было больше. При красном смещении z = 0,5 количество квазаров и радиогалактик в 5 раз больше, чем в нашей окрестности Вселенной. При z = 1 это количество в 50 раз, а при z = 3 в 1000 раз больше, чем вблизи нас. При красном смещении 0,5 свет был испущен квазаром и двинулся в нашу сторону 5 млрд лет назад; z = 1 соответствует 8 млрд лет, а z = 3 удалено от нас на 12 млрд лет (предполагая возраст Вселенной равным 14 млрд лет).

Раньше расстояния между галактиками были меньше, чем сейчас. Из-за расширения Вселенной шкала космологических расстояний изменяется обратно пропорционально 1 + z. Поэтому при красном смещении 3 среднее расстояние между галактиками было вчетверо меньше современного. Соответственно и взаимодействие между галактиками было сильнее, и слияния галактик происходили чаще. Считается, что в этом и состоит основная причина высокой активности квазаров при z = 3 и причина ослабления их активности позже.

Если уходить в еще более раннее прошлое, чем эпоха z = 3, то число квазаров и радиогалактик не будет увеличиваться; наоборот — мы увидим все меньше и меньше квазаров. Почему? Согласно современным взглядам, галактики постепенно строились из меньших кусков между красными смещениями z = 30 (соответствует возрасту всего 100 млн лет после Большого взрыва) и z = 3. В этот же период в центрах протогалактик формировались черные дыры, которые к тому же росли при слиянии ранних галактик. И только через 2 млрд лет после Большого взрыва (z = 3) появилось много полностью сформировавшихся галактик с большой центральной черной дырой. Они могли дать жизнь полноценным квазарам. А до этого квазары были редкостью: мы знаем всего несколько квазаров с красным смещением 6 или больше.

Как видим, квазары могли родиться вместе со своими материнскими галактиками и вырасти в их центрах. В следующей главе мы обратимся к последнему вопросу этой части нашей книги: как же возникли сами галактики?

Современные теории происхождения небесных тел отсылают нас в древние времена, о которых мы рассказывали в главе 24. В ту эпоху примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, Вселенная была равномерно заполнена водородно-гелиевым газом с температурой 3000 °C. Сегодня, по прошествии 14 млрд лет, мы видим, что повсюду сформировались галактики и что мы живем в одной из них — в нашей Галактике, которую частенько называют просто «Млечный Путь». В ней около 200 млрд звезд и бесчисленное количество газовых облаков разного размера, обращающихся вокруг центра Галактики. Когда мы смотрим вдаль, то видим несметное число других галактик, более или менее похожих на нашу. Сотни миллиардов галактик разбросаны в космическом пространстве, но все их можно разделить на несколько типов. В большинстве своем это эллиптические и спиральные галактики, состоящие в основном из темной материи и некоторого количества звезд и газа. Это означает, что процесс формирования всех галактик имел глубокие корни н в основе своей был единым, протекавшим повсюду во Вселенной. Как могла однородная, лишенная каких-то особенностей среда превратиться в наблюдаемую сегодня сложную систему сверхскоплений, пустот и цепочек?

Эволюция структуры, в принципе, может происходить в двух направлениях: либо некий большой объект делится на маленькие кусочки, либо много мелких кусочков собираются вместе и образуют большой объект. В Московском государственном университете Яков Борисович Зельдович (1914–1987) с коллегами разработали сценарий, согласно которому сначала рождались большие структуры, а затем они постепенно делились на более мелкие фрагменты. Этими большими структурами, по их расчетам, были газовые облака, более массивные, чем скопления галактик. Поскольку в процессе коллапса в одном из направлений (случайном!) каждое облако непременно сжималось быстрее, чем в других направлениях, в итоге оно становилось плоским, блинообразным. Затем гигантские «блины» распадались на галактики. Это должно было объяснить, почему даже в наше время многие галактики организованы в плоские структуры. Однако открытие очень далеких галактик, на расстояниях с красным смещением z = 6 и даже ю, то есть в очень ранний период истории Вселенной, противоречит этой теории фрагментации, согласно которой галактики должны были рождаться намного позже.

В своей переписке 1692 года Ньютон и Бентли обсуждали поведение однородного вещества в пространстве под действием гравитации (см. главу 23). По этому поводу Ньютон высказал поразительную идею: «…если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая — там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться и Солнце и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе».