Некоторые чёрные дыры достигают огромных размеров. Есть ли верхний предел их роста?

В начале 1960-х годов астрономы обнаружили чудовище.

Что-то в созвездии Девы излучало радиоволны, но сначала астрономы не видели на этом месте в видимом свете никакого небесного тела. Ситуация изменилась, когда наблюдатели применили несколько хитроумных методов и заметили слабую голубую «звезду», расположенную точно в месте источника радиоизлучения. В конце концов они смогли определить, что этот объект, названный 3C 273, вовсе не был звездой, а чем-то гораздо более странным, расположенным на поразительном расстоянии в два миллиарда световых лет от Земли.

Чтобы быть видимым на таком огромном расстоянии, «квазизвёздный объект» (сокращённо квазар) 3C 273 должен был быть чрезвычайно ярким. В конце концов, учёные пришли к выводу, что наиболее вероятной причиной невероятной яркости 3C 273 является поглощающая материю чёрная дыра в центре далёкой галактики. И это была не просто чёрная дыра, а гигантская, вероятно, содержащая материю, в 900 миллионов раз превышающую массу нашего Солнца.

С тех пор мы обнаружили ещё много таких сверхмассивных чёрных дыр. Фактически, к 1980-м годам астрономы начали подозревать, что в центре каждой большой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Благодаря наблюдениям с помощью космического телескопа «Хаббл» и других устройств, мы теперь знаем, что это правда, а это означает, что в наблюдаемой вселенной может быть до триллиона таких гигантов.

И они могут быть огромными — чрезвычайно огромными. Многие из них имеют массу в миллиард раз превышающую массу Солнца, а самые массивные могут быть даже больше.

Это, естественно, вызывает вопрос: насколько большими в принципе они могут быть?

Однако ответить на него довольно сложно. Теоретический верхний предел можно было бы определить на основе измерений массы многих чёрных дыр, но такие наблюдения сложны и часто опираются на косвенные доказательства и неполный учёт всех физических факторов. Однако с учётом этого подход предполагает, что самые большие чёрные дыры достигают массы в несколько десятков миллиардов масс Солнца — это столько же, сколько небольшая галактика! Известно лишь несколько таких сверхтяжёлых объектов, и погрешность в оценке их массы может быть довольно большой.

Тем не менее, возможно ли, что некоторые из них могут быть ещё больше? В конце концов, в принципе, чёрная дыра может расти бесконечно, потому что эти объекты набирают массу, поглощая всё, что попадает слишком близко; если бы можно было каким-то образом предложить ей всю Вселенную в качестве пищи, чёрная дыра с удовольствием бы её поглотила.

Но, конечно, сложить весь космос на тарелку чёрной дыры не очень реалистично. Согласно исследованию, опубликованному в 2015 году в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, в физически возможных (но неправдоподобно идеальных) условиях теоретический верхний предел для питающейся, растущей чёрной дыры должен составлять колоссальные 270 миллиардов масс Солнца! Однако, скорее всего, самая большая из тех, что мы когда-либо найдём, будет ближе к 50 миллиардам.

Разница сводится к тому, насколько близко объект должен приблизиться к чёрной дыре, чтобы она его втянула. Даже самые большие чёрные дыры имеют диаметр всего в несколько десятков миллиардов километров — что сопоставимо с размером нашей солнечной системы — и это крошечный размер в космическом масштабе. На определённом расстоянии вы полностью защищены от их гравитации. Если бы чёрная дыра с массой Солнца внезапно заменила наше Солнце, у нас возникли бы фатальные проблемы, такие как смерть от переохлаждения, но падение в неё не было бы одной из них; Земля и другие планеты продолжали бы вращаться по своим орбитам, как ни в чём не бывало. Точно так же в центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная чёрная дыра Sgr A* (произносится как «звезда Стрелец A»), масса которой составляет около четырёх миллионов масс Солнца. Она находится на расстоянии около 26 000 световых лет от нас, но не причиняет нам никакого беспокойства.

Это означает, что попадание чего-либо в чёрную дыру — явление довольно редкое, и даже когда это происходит, механизм этого явления не так прост. Большая часть материи не падает в пасть космического мусорного контейнера. Вместо этого её орбитальная скорость увеличивается по мере падения к чёрной дыре, так что она с безумной скоростью кружится вокруг компактного объекта. Эта удерживаемая материя образует сплющенный диск, называемый аккреционным диском.

Внутри диска материал, расположенный ближе к центру, вращается быстрее, чем материал, расположенный дальше от центра. Это создаёт невероятное трение, нагревающее диск до миллионов градусов. Материал, нагретый до такой температуры, ярко светится, и это один из способов, с помощью которого мы можем обнаружить чёрные дыры: хотя они невидимы, их влияние на близлежащий материал можно увидеть даже через всю вселенную, как в случае с 3C 273.

Диск может быть настолько горячим, что интенсивным излучением может фактически выдуть материал из него. Диски могут иметь мощные магнитные поля, которые также могут оттягивать вещество. Вместе эти эффекты ограничивают скорость питания чёрной дыры: избыток падающего вещества может привести к тому, что диск станет настолько большим и горячим, что будет отталкивать любое дополнительное приближающееся вещество. Это называется пределом Эддингтона; это, по сути оценка того, насколько быстро чёрная дыра может поглощать вещество, не отрыгивая его обратно (простите за неделикатность, но аналогия есть аналогия).

Таким образом, чёрной дыре требуется время, чтобы расти. А время ограничено: у Вселенной было конечное начало. В лучшем случае чёрная дыра имела 13,8 миллиарда лет — возраст космоса — чтобы насытиться, а самые ранние свидетельства существования чёрных дыр, которые мы нашли, датируются несколькими сотнями миллионов лет после этого времени, что ещё больше ограничивает их космическое питание.

С учётом этих временных ограничений, самая большая чёрная дыра сегодня не должна превышать 270 миллиардов масс Солнца. И это только в том случае, если все её сырьё вращается в том же направлении, что и чёрная дыра, которая действует как пищеварительное средство, позволяя материалу падать быстрее. Если чёрная дыра не вращается или материал падает в направлении, противоположном вращению, верхний предел снижается до 50 миллиардов масс Солнца.

Это меньшее число действительно находится в пределах максимальной массы чёрных дыр, которые мы обнаружили. Некоторые, такие как TON 618, кажутся немного больше, но в этом числе есть большая неопределённость, и нижний предел, вероятно, также немного изменчив.

Спешу добавить, что, несмотря на все эти подробные обсуждения того, как чёрные дыры поглощают материю, они также могут расти и другим способом, посредством космического каннибализма: когда галактики сталкиваются, их отдельные сверхмассивные чёрные дыры могут в конечном итоге сблизиться и слиться, превратившись в одну, ещё более крупную чёрную дыру. Это сильно экономит им время! Но действительно огромные чёрные дыры настолько редки — не говоря уже о ещё более редкой перспективе их слияния — что вряд ли это значительно расширит границы роста чёрных дыр.

Поэтому мы не ожидаем найти чёрную дыру, превосходящую по размеру те, которые нам уже удалось измерить. Но Вселенная хитрее нас, и всё ещё возможно, что существует ещё более колоссальная чёрная дыра. Если это так, то у астрономов появится возможность заняться своим любимым делом: вернуться к своим предположениям и попытаться понять, что они упустили, и в процессе узнать больше об этих гигантах. Таким образом, наши знания растут, и, надеюсь, верхнего предела этому нет.