На острие исследований
Сверхмассивные чёрные дыры массой свыше 100 000 солнечных — очень интересные объекты с точки зрения как физики, так и их роли в эволюции Вселенной. Судя по всему, именно благодаря их чудовищной гравитации, стягивающей к ним окружающее вещество, «работают» активные галактики, излучающие в пространство огромное количество энергии, в частности, к ним относятся ярчайшие объекты во Вселенной — квазары. Открытый в феврале 2024 года самый яркий из них — QSO J0529—4351 светит как 500 триллионов Солнц, а чёрная дыра в его центре имеет массу приблизительно в 17 миллиардов солнечных масс. Справедливости ради заметим, что как звезда 16-й звёздной величины он был известен с 1980 года, а в 2024 году с помощью Очень Большого Телескопа Европейской южной обсерватории лишь сумели распознать в ней квазар, расположенный на расстоянии 12 миллиардов световых лет. А так называемые первичные чёрные дыры (о них ниже) могут помочь решить некоторые проблемы космологии.
В отдельных случаях сверхмассивные чёрные дыры порождают такие грандиозные явления, как вырывающиеся наружу релятивистские струи вещества (джеты) и выбросы. Самые длинные джеты астрономы обнаружили в 2024 году у галактики Порфирион, их протяжённость составила около 23 миллионов световых лет. Для сравнения: расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды составляет примерно 2,5 миллиона световых лет. А открытый в 2020 году выброс в гигантской галактике NeVe 1, доминирующей в сверхскоплении Змееносца, произошёл из-за поглощения чёрной дырой вещества, эквивалентного 270 миллионам Солнц, возможно, из поглощённой карликовой галактики. Это создало ударные волны и релятивистские струи высокоэнергетических частиц, которые вытеснили внутрикластерную среду, образовав полость диаметром не менее 1,5 миллиона световых лет.
В настоящее время астрономы полагают, что в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая влияет на процесс её формирования и эволюции. Так, с одной стороны, в окрестности сверхмассивной чёрной дыры может активно идти процесс звездообразования, но, с другой стороны, выброс ею вещества из галактики способен затормозить, а то и остановить этот процесс, лишив его подпитки.
Общепринятой теории образования сверхмассивных чёрных дыр пока нет, однако астрофизики выдвинули несколько гипотез. Сверхмассивные чёрные дыры не являются этапом эволюции звёзд. Они могут формироваться в результате гравитационного коллапса — сжатия больших газовых облаков или плотных звёздных кластеров, а также они могут расти за счёт постепенного падения — аккреции вещества на чёрную дыру, оставшуюся от звезды, и слияния с другими чёрными дырами.
В 1966 году отечественные физики Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков выдвинули гипотезу о возможности образования чёрных дыр из флуктуаций сверхплотной материи вскоре после Большого взрыва. Эти чёрные дыры получили название первичных, поскольку формировались раньше первых звёзд. Первое углублённое их исследование провёл Стивен Хокинг в 1971 году. Предполагается, что первичные чёрные дыры состоят из тёмной материи и, в зависимости от модели, могут иметь начальные массы до более чем несколько тысяч солнечных масс. Так что они — хорошие кандидаты на роль зародышей сверхмассивных чёрных дыр в центре формирующихся вокруг них галактик.
Интерес к этому вопросу особенно повысился после неожиданных открытий космическим телескопом «Джеймс Уэбб»1 (JWST, NASA), начиная с 2022 года, очень больших ранних галактик. Сначала были даны предварительные оценки, а с 2024 года появились надёжные результаты. Так, в мае 2024 года JWST с помощью спектрального анализа определил2 возраст галактики JADES-GS-z14-0 всего в 290 миллионов лет после Большого взрыва. Получается, что она — самый далёкий обнаруженный на данный момент астрономический объект. Размер галактики получился около 1600 световых лет, а масса — в несколько сотен миллионов раз больше массы Солнца, что слишком много для столь раннего периода и противоречит современным представлениям об эволюции Вселенной. Поэтому сразу же появилась идея объяснить появление больших галактик так рано с помощью первичных чёрных дыр. Ведь они могли образоваться менее чем через секунду после Большого взрыва и сильно ускорить формирование галактик.
Может сложиться впечатление, что сверхмассивные чёрные дыры — прерогатива исключительно больших галактик, но это совершенно не так. В 2011 году активную сверхмассивную чёрную дыру массой 3•106 M⊙ американские астрономы нашли в карликовой галактике Henize 2—10 в 34 миллионах световых лет от Солнца. Масса же всей галактики около 1•1010 M⊙, что примерно в 100 раз меньше нашего Млечного Пути. К 2019 году исследователи нашли ещё около 100 активных массивных чёрных дыр в небольших галактиках и 39 кандидатов в менее активные массивные чёрные дыры в 111 карликовых галактиках. Любопытно, что часть из них находится не в центрах галактик, а на окраинах. Более того, компьютерное моделирование показало, что до половины карликовых галактик могут иметь нецентральные чёрные дыры. Однако относительно небольшие неактивные сверхмассивные чёрные дыры крайне сложно обнаружить. Далее мы с этим столкнёмся на примере Большого Магелланова Облака (БМО).
Своеобразный рекордсмен по чёрным дырам — чрезвычайно маленькая, плотная, сверхкомпактная карликовая галактика M60-UCD1, половина звёздной массы которой находится в центральной сфере диаметром 160 световых лет. (Напомним, что диаметр Млечного Пути 100 000 световых лет.) В 2014 году американские астрономы обнаружили в её центре чёрную дыру величиной 21 миллион солнечных масс, что составляет почти 15% от общей массы галактики, оцениваемой в 140 миллионов M⊙. Это удивительно, поскольку она в пять раз массивнее чёрной дыры в Млечном Пути, в то время как наша Галактика более чем в 1000 раз массивнее, а её чёрная дыра составляет лишь менее 0,001 процента от общей массы.
Поскольку естественное образование подобных объектов маловероятно, астрономы обсуждают, являются ли эти карликовые галактики ядрами ранее более крупных галактик, которые были «раздеты» более массивными соседями или оторваны во время столкновений с ними. Ещё одна гипотеза гласит, что они могли образоваться как большие шаровые скопления. Конкретно M 60-UCD1 могла «раздеть» расположенная всего в 22 000 световых годах от неё галактика M 60. Для нас эти исследования интересны тем, что подобная ситуация может иметь место и около Млечного Пути, в пределах 1,4 миллиона световых лет от которого находится 61 карликовая галактика-спутник (по состоянию на 2020 год).
Поэтому понятно, почему исследования сверхмассивных чёрных дыр активно ведутся различными инструментами во многих обсерваториях. Недавно, в 2019 году, впервые было получено3 даже прямое изображение сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактики Мессье 87. Это смогла сделать система разбросанных по всей Земле телескопов, получившая название Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT). В 2021 году, после двух лет исследований, которые потребовались из-за сложных методов получения и анализа данных, коллаборация EHT впервые опубликовала4 изображение чёрной дыры в поляризованном свете. Поляризация света несёт в себе информацию, которая позволяет исследователям лучше понять физику процессов, происходящих возле чёрных дыр. А в 2022 году она обнародовала5 изображение Стрельца A* (Sgr A*), чёрной дыры в центре Млечного Пути.
Гиперскоростные звёзды
В Млечном Пути звёзды обычно имеют скорости порядка 100 км/с, например, наше Солнце вокруг центра Галактики движется со скоростью около 220 км/с. Однако астрономы обнаружили и звёзды с аномально высокой скоростью движения, которую те приобрели, по всей видимости, благодаря таким механизмам, как различные гравитационные взаимодействия или взрывы сверхновых в системе из нескольких звёзд. Здесь нас будет интересовать небольшая группа звёзд, получившая название гиперскоростных (в звёздных каталогах их обозначают как HVS — Hypervelocity Star или HV). Они обладают скоростями порядка 1000 км/с, которые на окраинах Галактики превышают скорость убегания (в районе Солнечной системы она порядка 500—600 км/с). Это означает, что такие звёзды могут покинуть Млечный Путь и отправиться путешествовать к другим галактикам. Впрочем, возможен и противоположный сценарий: нас могут посетить гости из других галактик. Несколько кандидатов в такие путешественники астрономы уже нашли. Реально гиперскоростных звёзд пока обнаружили три десятка, но по оценкам астрономов в Млечном Пути их должно быть около тысячи.
Любопытно, что существование HVS впервые теоретически предсказал в 1988 году американский астроном Джек Хиллс, который исследовал процесс разрушения двойной звёздной системы приливными силами, создаваемыми гравитацией сверхмассивной чёрной дыры. При определённых условиях одна из звёзд захватывалась чёрной дырой, а вторая, словно из пращи, выбрасывалась прочь с огромной скоростью, до нескольких тысяч километров в секунду. Подобный механизм образования высокоскоростных звёзд получил название «механизм Хиллса».
Первая гиперскоростная звезда SDSS J090745.0+024507 со скоростью 709 км/с была открыта в 2005 году. В 2019 году была обнаружена самая быстрая на сегодняшний день звезда S5-HVS1, движущаяся со скоростью 1755 км/с от галактического ядра Млечного Пути. Она стала первой звездой, для которой считается доказанным, что она выброшена из нашей Галактики сверхмассивной чёрной дырой Sgr A* благодаря механизму Хиллса. S5-HVS1 — также самая близкая к Земле гиперскоростная звезда, до неё «всего» 29 000 световых лет.
Другой возможный механизм образования HVS — взрыв сверхновой в тесной двойной системе, хотя он, по-видимому, редок. Для компактных звёзд, таких как белые карлики, это может привести к скоростям выброса, сравнимым с механизмом Хиллса. Таким образом, например, был разогнан субкарлик US 708, который удаляется от Млечного Пути со скоростью около 1200 км/с. Его траектория пересекает диск Галактики слишком далеко от чёрной дыры в центре, чтобы можно было рассматривать её влияние.
В большинстве же случаев взрыв сверхновой в двойной системе не сообщает выброшенной звезде слишком большую скорость, особенно если это достаточно массивная звезда главной последовательности. Обычно скорость выброса не превышает 500 км/с, а подавляющее большинство звёзд выбрасывается с гораздо меньшими скоростями, всего в несколько десятков км/с. И тогда взоры астрономов обратились к самому крупному спутнику Млечного Пути — карликовой галактике Большое Магелланово Облако, расположенной примерно в 163 000 световых годах от него. Если взрыв произойдёт в БМО, то полученной скорости может оказаться достаточно, чтобы звезда покинула эту карликовую галактику, масса которой с учётом тёмной материи составляет всего 10% от массы Млечного Пути. А поскольку БМО движется вокруг нашей Галактики со скоростью примерно 300 км/с, то в системе отсчёта Млечного Пути скорость убежавшей звезды складывается со скоростью БМО. Если скорости совпадают по направлению, звезда может стать гиперскоростной. Это похоже на то, как мячик, брошенный из окна автомобиля по ходу его движения, полетит относительно земли с их суммарной скоростью.
Но главная причина внимания астрономов к БМО не в этом, ведь спутников у нашей Галактики много. Всё дело в том, что несколько HVS по непонятной причине группируются вокруг созвездия Лев как раз по направлению движения БМО. Так, в работе 2025 года, о которой речь пойдёт в следующей главе, 11 из 21 рассматриваемой HVS оказались там, расположившись на 5% от общей площади, где производился их поиск. Для объяснения данного факта было предложено несколько гипотез. Но проще всего предположить, что эти звёзды образовались именно в БМО, и направление их движения близко к движению БМО (звёзды, вылетевшие в других направлениях, не станут гиперскоростными), и тогда становится понятно, почему они там оказались.
Некоторые HVS могли возникнуть при разрушении карликовой галактики, приблизившейся к центру Млечного Пути. В таком случае для отдельных звёзд, вырвавшихся на свободу, мог произойти гравитационный манёвр, известный как «гравитационная праща», в результате чего они были выброшены в космос. В космонавтике подобные гравитационные манёвры около планет используются для разгона космических аппаратов, отправляемых к отдалённым объектам Солнечной системы и за её пределы.
В качестве ещё одного механизма для создания высокоскоростных звёзд астрономы предложили взаимодействие трёх и четырёх тел в звёздных скоплениях, но они, как правило, дают значительно меньшие скорости, чем механизм Хиллса.
Сверхмассивная чёрная дыра в большом Магеллановом облаке
В январе 2025 года на сайте препринтов появилась статья6 исследователей авторитетнейшего Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (Кембридж, США) с коллегами из США и Израиля. В ней они утверждают, что все проблемы HVS решаются только наличием в БМО сверхмассивной чёрной дыры, обеспечивающей работу механизма Хиллса, и тем самым доказывают её существование. Статья, описывающая результаты работы, принята к публикации в The Astrophysical Journal, но на момент выхода этого номера «Науки и жизни» опубликована не была.
Сразу заметим, что идея не нова. Предположение о наличии в БМО сверхмассивной чёрной дыры возникло после открытия в 2005 году гиперскоростной звезды HE 0437—5439, также называемой HVS3, со скоростью движения 723 км/с. Проблема заключалась в том, что это гигантская звезда главной последовательности B-типа с массой почти в девять раз больше массы Солнца. Такие звёзды долго не живут: её возраст по голубому цвету и другим характеристикам был оценён в 20—30 миллионов лет. Однако она располагается на расстоянии около 200 000 световых лет от центра Млечного Пути. Если бы она родилась там, то потребовалось бы около 100 миллионов лет, чтобы долететь до своего текущего положения. А этого времени у неё не было. Зато от БМО она находится на расстоянии около 50 000 световых лет, и оттуда прилететь времени как раз хватало. Более того, в 2008 году астрономы обнаружили соответствие между химическим составом HVS3 и звёздами в БМО. Но вот столь большую скорость в БМО реально мог создать только механизм Хиллса, требующий наличия сверхмассивной чёрной дыры. Так что в последующие годы разные астрономы анализировали влияние чёрных дыр в БМО различной массы — от тысячи до сотни тысяч солнечных масс.
Но не всё было так просто. В 2010 году опубликовано исследование, в котором движение HE 0437—5439 оценивалось с использованием данных космического телескопа «Хаббл». Его результат разочаровывал. Он исключал возможность того, что звезда пришла из БМО, при этом согласовывался с гипотезой о том, что она была выброшена из центра Млечного Пути. Но что делать с недостатком времени? В итоге для неё даже был разработан специальный механизм выброса. Сначала это была тройная система, которая 100 миллионов лет назад слишком близко подошла к сверхмассивной чёрной дыре в центре Млечного Пути, и в результате одна из звёзд была «съедена» ею, а две другие — выброшены прочь. В полёте после грандиозного воздействия две звезды слились в одну, существующую и поныне. Такие звёзды, возникшие в результате слияния, наблюдаются в звёздных скоплениях. Им дали название «голубые отставшие звёзды» (английское название blue stragglers), подразумевая, что они выглядят гораздо моложе своего возраста, как бы отстают в развитии.
Тем не менее сторонники чёрной дыры не отказались от своей гипотезы, аргументируя свою позицию тем, что данные «Хаббла» и моделей орбиты БМО недостаточно точны. И, действительно, третий релиз данных миссии Gaia (Gaia DR3, 2021)7 вдохнул в неё новую жизнь. Однако звезда со столь «сомнительной репутацией» не могла служить достаточным доказательством существования чёрной дыры.
Поэтому авторы нового исследования проанализировали не одну, а сразу 21 HVS, найденную во внешнем гало Млечного Пути, причём HE 0437—5439 в рассмотрение не включили. Для ускорения поиска они использовали фотометрический отбор. Поскольку в гало давно уже нет звездообразования, то все молодые звёзды там — пришельцы. Так что производился фотометрический поиск звёзд B-типа, которые заведомо молодые, и уже среди них искали HVS по собственным движениям. Все найденные звёзды располагались на расстояниях 160—400 тысяч световых лет и имели массы 2,5—4 М⊙.
Авторы работы с высокой точностью проследили траектории этих звёзд по данным Gaia, а также использовали улучшенную модель орбиты БМО вокруг Млечного Пути, недавно полученную другими исследователями. Оказалось, что семь звёзд наиболее вероятно происходят из центра Млечного Пути, а вот девять звёзд, скорее всего, вылетели из БМО. Происхождение ещё пяти звёзд установить не удалось.
Зная, как часто происходят различные явления, порождающие выброшенные звёзды, например взрывы сверхновых, исследователи сделали вывод, что имеющееся количество HVS не может быть объяснено ничем, кроме механизма Хиллса, а, значит, в БМО должна быть чёрная дыра. Кроме того, масса чёрной дыры влияет на количество рождающихся HVS и их среднюю скорость. Это определяется размером области, на которую распространяется действие чёрной дыры, и величиной её гравитации. Так как чёрная дыра в БМО меньше Sgr A*, то и скорости выброса будут более низкими. Всё это, совместно с другими факторами, позволило авторам оценить массу сверхмассивной чёрной дыры в 600 000 солнечных. Для сравнения, Sgr A* имеет около 4 миллионов солнечных масс. То, что другие исследователи получали меньшую массу, связано как раз с тем, что они анализировали одиночную звезду и им не надо было учитывать скорость рождения HVS. Возможно, в будущем при увеличении количества известных HVS эта масса будет скорректирована.
Важным доказательством наличия чёрной дыры в БМО стало то, что предложенная авторами модель воспроизводит группировку HVS вокруг созвездия Лев, о которой говорилось ранее. Почти все звёзды там вышли из БМО. Это определяется вкладом движения самого БМО.
Я бы ещё обратил внимание, что центр вращения БМО не совпадает с его оптическим центром, что может быть как раз связано именно с влиянием чёрной дыры, которая, как уже говорилось выше, в карликовых галактиках не всегда располагается в центре.
Если результаты работы подтвердятся, то окажется, что совсем рядом с нами находится ещё одна сверхмассивная чёрная дыра, помимо Sgr A*. И сразу можно будет сделать два важных вывода. Первый: сверхмассивные чёрные дыры умеют хорошо маскироваться. И то, что мы их в каких-то галактиках, в том числе карликовых, не обнаруживаем, не означает их отсутствие. Второй: рождение HVS может быть связано не только с присутствием чёрной дыры самой по себе, свой вклад вносит и движение галактики. Ждём дальнейших исследований.
Комментарии к статье
1 Понятов А. «Уэбб». Наследник великих космических обсерваторий. «Наука и жизнь» № 2, 2022 г.
2 Понятов А. Десять значимых событий 2024 года в физике и астрономии. «Наука и жизнь» № 1, 2025 г.
3 Понятов А. Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.
4 Понятов А. Девять значимых событий 2021 года в физике и астрономии. «Наука и жизнь» № 1, 2022 г.
5 Понятов А. Портрет на фоне Галактики. «Наука и жизнь» № 7, 2022 г.
6 Han J. J. et al. Hypervelocity Stars Trace a Supermassive Black Hole in the Large Magellanic Cloud, https://arxiv.org/abs/2502.00102.
7 Понятов А. «Gaia»: новый взгляд на небо. «Наука и жизнь» № 9, 2022 г.
