Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

Первые намеки на существование темной материи появились при исследовании скоплений галактик. Сегодня астрономы внимательно изучают столкновения скоплений галактик, чтобы выяснить природу этого темного вещества.

Считается, что темная материя составляет около 83 % всей материи во Вселенной, но, по-видимому, она взаимодействует с обычным веществом только через гравитацию. Астрономы пытались отказаться от концепции темной материи, изменив законы гравитационного взаимодействия. Но наблюдения столкновения скоплений двух галактик (одна из которых называется Пуля и находится на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет) от этих попыток камня на камне не оставили. Дело в том, что обычно темная материя и нормальная материя слишком хорошо перемешаны, и отделить одну от другой не удается. Но при столкновении именно этих двух скоплений входящие в них галактики проскользнули мимо друг друга, оставив за собой хвост горячего взаимодействующего газа. Темная материя, присутствие которой косвенно подтверждается гравитационным взаимодействием, осталась с галактиками. А это говорит о том, что к темной материи надо относиться как к веществу, а не как к дополнению закона гравитации, и что частицы темной материи не отскакивают друг от друга, как обычные атомы и молекулы.

Исследования других галактических катастроф сначала навели астрономов на мысль, что объекты (или нечто) из темной материи могут взаимодействовать с подобными себе объектами с помощью специального агента – силы, действующей только на темную материю. Но в 2015 году были получены дополнительные данные, говорящие об обратном. Рентгеновская обсерватория «Чандра» наблюдала 30 новых столкновений скоплений галактик. Выяснилось, что, когда галактики сталкиваются, темная материя беспрепятственно продолжает свой путь так, будто не подвержена влиянию какой-либо другой темной материи, сколько бы ее ни находилось вокруг. А это значит, что она не взаимодействует с себе подобной. Но это все-таки не исключает наличия трудноуловимой новой силы. Возможно, проанализировав тысячи других сталкивающихся скоплений галактик, астрономы наконец поймут природу темной материи.

В пустоте космоса плавает огромное облако холодного газа, неповоротливый черный лоскут на еще более черно-мрачном фоне. Затем, словно из ниоткуда, к нему устремляется тонкая струя материи. Струя врезается в облако, попутно сжимая составляющее его вещество, и вызывает шквал звездообразования, похожий на огненную бурю. Газовое облако перестает быть спящим, оно превращается в настоящую галактику. Может быть, так и рождается галактика – под действием выбросов из сверхмассивной черной дыры?

Загадка черных дыр и их взаимосвязи с галактиками занимала астрономов, начиная с середины 60-х годов XX века – с тех пор, как были открыты квазары. Размеры этих объектов невелики – они могли бы уместиться в пределах Солнечной системы, – а светимость огромна: их энерговыделение в виде света и других форм излучения может в 100 раз превышать полную светимость Млечного Пути. Такой колоссальный выход энергии из крошечного по космическим меркам объекта может давать черная дыра с массой в миллионы или даже миллиарды раз больше солнечной, если она поглощает газ и пыль из окружающего пространства. Вещество собирается в диске вокруг черной дыры и нагревается, испуская яркое излучение, по интенсивности превосходящее другие известные источники. Наряду с квазарами, известны и другие типы активных галактических ядер, такие как радиогалактики и сейфертовские галактики; они светят не так ярко, но тоже отличаются довольно высокой светимостью. Видимо, они также являются результатом активной «подпитки» черных дыр.

Раньше астрономы считали, что сверхмассивные черные дыры встречаются только в таких, довольно редких активных галактиках, – то есть они, конечно, интересны, но вряд ли имеют большое значение для всего огромного космоса. Однако эту точку зрения пришлось пересмотреть, когда выяснилось, что большинство галактик – если не все – содержат сверхмассивные черные дыры. Тот факт, что мы их не замечаем, объясняется недостатком горючего. Именно поэтому в большинстве галактик, и в нашей в том числе, черные дыры дремлют – им просто нечего переваривать.

Существует четкая связь между этими объектами и их родительскими галактиками. В спиральных галактиках есть центральные утолщения, называемые «балджами», состоящие из наиболее старых звезд. Такой балдж обычно примерно в 1000 раз массивнее черной дыры, приютившейся в его сердцевине. Такие же оценки справедливы и для эллиптических галактик, которые по сути являются просто балджами. Масса черной дыры находится в прямо пропорциональной зависимости от массы балджа. Еще одно доказательство существования связи между ними: пик звездообразования и активности квазаров пришелся примерно на одно и то же время, от 8 до 10 миллиардов лет тому назад.

Даже если черная дыра – сверхмассивная, все равно она намного легче остальной галактики, поэтому дыра не может иметь большого влияния на нее. Возможно, сначала образуется балдж, а затем черная дыра вырастает до размера, определяемого балджем? Однако черная дыра может набрать лишний вес. Некоторые теоретики полагают, что балджи и черные дыры растут синхронно, и когда черная дыра в конце концов становится достаточно большой, ветер и излучение, испускаемые ее диском, выдувают лишний газ, устанавливая ограничение на размер балджа.

Но события могут развиваться и по иному, более радикальному сценарию. Во многих активных галактиках черные дыры выбрасывают материю в виде двух противоположно направленных, нитевидных джетов (см. главу 8). Эти струи могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света, а потом вырваться из своей галактики и предпринять вояж на миллионы световых лет в глубь межгалактического пространства.

В 2009 году команда во главе с Давидом Эльбазом из французской Комиссии по атомной энергии (Сакле, Франция) сообщила о результатах исследования необычного квазара HE0450-2958 с джетами, расположенного на расстоянии пяти миллиардов световых лет от нас. HE0450-2958 называют «голым» квазаром, и это единственный квазар такого рода – он представляет собой одну сверхмассивную черную дыру без окружающей ее галактики.

С помощью инфракрасного оборудования, установленного на Очень большом телескопе (ОБТ) в Чили, ученые сделали потрясающее открытие. Джеты, выпущенные квазаром, как лазерные лучи пронзили пространство и вонзились в молодую галактику, удаленную от квазара на расстояние 23 000 световых лет. В этой галактике происходит интенсивный процесс звездообразования. Скорость появления ярких звезд в ней эквивалентна 350 солнцам в год, что в сто раз больше, чем можно было бы ожидать для галактик в этой области.