Космические скитальцы: охоту на «беглые» черные дыры объявили астрономы

В прошлом году астрономы были очарованы астероидом-изгоем, который пронесся через нашу Солнечную систему откуда-то из глубокого космоса. Он двигался со скоростью около 68 километров в секунду — чуть более чем в два раза быстрее скорости вращения Земли вокруг Солнца.

А теперь представьте, что на его месте оказалось нечто гораздо более крупное и быстрое: черная дыра, несущаяся со скоростью под 3000 км/с. Мы бы даже не заметили ее приближения, пока ее чудовищная гравитация не начала бы буквально «расталкивать» орбиты внешних планет.

Это может звучать как сценарий дешевого фантастического фильма, но за последний год появилось сразу несколько линий доказательств, которые указывают: появление такого гостя — не просто фантазия. Астрономы зафиксировали явные следы сверхмассивных черных дыр-изгоев, пронзающих другие галактики, и нашли свидетельства того, что более мелкие, пока еще невидимые «бродяги», скорее всего, тоже существуют.

Беглые черные дыры: начало теории

История началась в 1960-х годах, когда новозеландский математик Рой Керр нашел решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, описывающее вращающиеся черные дыры. Это привело к двум важнейшим открытиям.

Во-первых, это «теорема об отсутствии волос», которая гласит, что черные дыры различаются всего по трем параметрам: массе, спину (вращению) и электрическому заряду.

Второй момент связан со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc², которая говорит о том, что энергия обладает массой. В случае с черной дырой решение Керра показывает, что до 29% ее массы может приходиться на энергию вращения.

Еще 50 лет назад английский физик Роджер Пенроуз предположил, что эту энергию вращения черных дыр можно высвободить. Вращающаяся черная дыра подобна гигантской батарее, способной выделять колоссальные объемы энергии. Черная дыра может содержать примерно в 100 раз больше извлекаемой энергии, чем звезда той же массы. И если две черные дыры сливаются в одну, огромная часть этой энергии может выделиться всего за несколько секунд.

Потребовалось два десятилетия кропотливых расчетов на суперкомпьютерах, чтобы понять, что происходит при столкновении и слиянии двух вращающихся черных дыр, порождающем гравитационные волны. Оказалось, что в зависимости от направления спинов дыр, энергия гравитационных волн может выделяться гораздо сильнее в одном направлении, чем в других. Это работает как реактивный двигатель, запуская образовавшуюся черную дыру в противоположную сторону. Если спины сталкивающихся дыр выровнены определенным образом, финальная черная дыра может разогнаться до тысяч километров в секунду.

Сигналы из реальности: гравитационные волны

Все это было лишь теорией, пока в 2015 году обсерватории LIGO и Virgo не начали регистрировать «всплески» и «чириканье» гравитационных волн от сталкивающихся пар черных дыр.

Одним из самых захватывающих открытий стало наблюдение «послесвечения» (ringdowns) — своеобразного звона только что сформировавшихся черных дыр, похожего на звучание камертона. Этот звон рассказывает нам об их спине: чем быстрее вращение, тем дольше звон. Все более точные наблюдения за сливающимися дырами показали, что у некоторых пар оси вращения ориентированы хаотично, а многие обладают огромной энергией вращения. Все это указывало на то, что существование «беглых» черных дыр — вполне реальная возможность. Двигаясь со скоростью в 1% от скорости света, их траектории в космосе были бы почти прямыми, не повторяя изогнутые орбиты звезд в галактиках.

Первые «живые» снимки беглецов

Это подводит нас к финальному этапу: фактическому обнаружению черных дыр-изгоев. Найти относительно небольшие объекты такого типа крайне сложно. Но черная дыра массой в миллион или миллиард солнечных, проходя сквозь галактику, вызывает колоссальные возмущения звезд и газа. Ученые предсказывали, что такие объекты должны оставлять за собой «инверсионные следы» из новых звезд. Они формируются из межзвездного газа точно так же, как конденсационный след от самолета в небе: газ и пыль притягиваются к пролетающей черной дыре, сжимаются и коллапсируют, рождая светила. Этот процесс может длиться десятки миллионов лет, пока дыра пересекает галактику.

В 2025 году сразу несколько научных работ представили снимки удивительно прямых звездных полос внутри галактик. Похоже, это и есть убедительные доказательства существования «беглецов».

Одна из статей под руководством астронома Йельского университета Питера ван Доккума описывает очень далекую галактику, сфотографированную телескопом «Джеймс Уэбб». На снимке виден невероятно яркий «инверсионный след» длиной в 200 000 световых лет. Характер свечения указывает на гравитационное сжатие газа пролетающим объектом. Расчеты показывают: это черная дыра массой в 10 миллионов масс Солнца, мчащаяся со скоростью почти 1000 км/с.

Другое исследование описывает длинный прямой след, рассекающий галактику NGC 3627. Здесь, вероятно, виновата черная дыра поменьше — около 2 миллионов масс Солнца, движущаяся со скоростью 300 км/с. Длина ее шлейфа — около 25 000 световых лет.

Выводы и перспективы

Если существуют такие сверхмассивные «беглецы», то должны существовать и их меньшие собратья. Наблюдения гравитационных волн подтверждают, что некоторые черные дыры сливаются именно с теми противоположными спинами, которые необходимы для создания мощнейшего «гравитационного удара». Развиваемые при этом скорости вполне достаточны для путешествий между галактиками.

Итак, черные дыры, пронзающие галактики и межгалактическое пространство, — это новый ингредиент нашей удивительной Вселенной. И да, теоретически ничто не мешает одной из них однажды оказаться в Солнечной системе с потенциально катастрофическими последствиями.

Но паниковать из-за этого открытия не стоит. Шансы на такое событие ничтожно малы. Это просто еще одна глава в истории мироздания, которая стала чуть богаче и чуть захватывающее, чем мы могли себе представить.