Черные дыры и скорость звездообразования

1. Образование звёзд в Сейфертовских галактиках

Согласно новым данным, полученным исследователями из университета Джонса Хопкинса (The Johns Hopkins University), необычайно высокие скорости звездообразования, наблюдаемые в некоторых галактиках, могут быть связаны с наличием в их центрах чёрных дыр. Галактики с высокими скоростями процессов звездообразования и галактики с активными черными дырами долго рассматривались как различные явления. Новые результаты говорят о том, что на самом деле центральная чёрная дыра и идущее вокруг неё звездообразование связаны между собой эволюционными процессами, которые формируют развитие галактик. Те процессы, которые делают центральную черную дыру в галактике всё более и более массивной, могут вызывать также и формирование звёзд. Фаза звездообразования может быть общей ступенью развития для Сейфертовских галактик и квазаров - двух типов самых ярких объектов, наблюдаемых во Вселенной. Сейфертовские галактики содержат активные сверхмассивные черные дыры в центральных районах, размеры которых сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. Так как черная дыра поглощает близлежащие звёзды и газ, она излучает огромные количества энергии. Это и служит причиной характе́рного для Сейфертовских галактик спектра с чрезвычайно высоким рентгеновским излучением, идущим из небольших центральных районов или ядра́. Но есть Сейфертовские галактики, центральные области которых излучают несколько слабее - это так называемые Сейфертовские галактики 2 типа. Сначала теоретики считали, что такое различие в излучении связано с пространственным расположением галактики по отношению к Земле. Вокруг ядра любой спиральной галактики (а Сейфертовские галактики - это, как правило, спиральные галактики) существует диск, состоящий из газа и пыли. Предполагалось, что при благоприятной ориентации плоскости галактики центральная часть может быть видна сквозь затеняющий пылевой диск. Однако исследовав 14 Сейфертовских галактик на основе новых и архивных данных, полученных с помощью двух космических рентгеновских обсерваторий, астрономы пришли к выводу, что причиной затенения центральных районов галактик могут быть области, в которых идёт процесс формирования звёзд.

2. Яркие рентгеновские источники

Анализируя рентгеновское излучение исследуемых галактик, астрономы выяснили, что эти галактики обладают и сверхмассивными черными дырами, и областями активного звездообразования. Такая взаимосвязь предполагает возникновение новых теорий относительно эволюции галактик. Должен быть какой-то механизм, который снабжает районы звездообразования материалом и увеличивает вероятность того, что в этих районах накопится газ и начнется процесс формирования звёзд. Как считают исследователи, в Сейфертовских галактиках эти функции может выполнять гравитация центральной черной дыры. Если бы мы могли видеть в рентгене, то, посмотрев в мае 2000 года на южное небо, мы увидели бы очень яркий источник, но это было бы не Солнце или Луна, а экзотическая черная дыра двойной звездной системы, известной астрономам как XTE J1550-564. В апреле 2000 года этот объект был почти так же ярок, как Крабовидная туманность, которая является самым ярким рентгеновским источником нашего неба," - говорит доктор Mike McCollough из NASA. "С тех пор яркость этого объекта уменьшилась приблизительно до десятой части яркости Краба."

Сейчас XTE J1550-564 - один из самых ярких рентгеновских источников. Если бы человеческий глаз был чувствителен к рентгеновскому излучению, мы могли бы наблюдать его сияющим в южном созвездии Наугольник. Обычно J1550-564 почти не видим в рентгене, но его интенсивность меняется. Например, в 1998 году этот объект был в 1.5 раза ярче Крабовидной туманности в течение нескольких дней. McCollought и его коллеги полагают, что XTE J1550 является черной дырой со звездой - компаньоном. Газообразный материал, перетекающей от звезды к черной дыре, формирует закручивающийся диск, вещество которого разогревается. Этот диск, называемый аккреционным диском, становится таким горячим и пылает так ярко в рентгеновских длинах волн, что становится видимым для рентгеновских телескопов на расстояниях в 10000 световых лет.

3. Квази-периодические колебания

"Если бы мы преобразовали рентгеновские колебания от J1550 в звуковые волны, мы услышали бы низкий, грохочащий гул," - говорит доктор Stefan Dieters, астроном из NASA. "Доминирующая составляющая частоты - около 0,3 Hz - слишком низка для человеческого уха, но полный спектр содержит частоты до 20 или 30 Hz, которые лежат в нижних пределах человеческого слуха." "Звук" от такой двойной системы с черной дырой не был бы чистым тоном, так как спектр колебаний содержит целый диапазон частот. Ученые называют это квази-периодическими колебаниями (Quasi Periodic Oscillations - QPO). Какова причина этих колебаний в таких системах? "Возможно, аккреционный диск, который вызывает рентгеновское излучение, вибрирует," - говорит McCollough. "Или квази-периодические колебания могут быть частотой биения между периодом вращения центрального объекта и орбитальным периодом внутреннего края диска. Пока мы этого не знаем."

Существует несколько теоретических моделей, объясняющих это явление, но основная идея состоит в том, что некоторая граница в аккреционном диске перемещается внутрь, к черной дыре. Это может быть внутренняя граница диска, или, возможно, область перехода между двумя частями диска. Независимо от того, что это, оно зарождается вне диска, где орбитальный период более длинный, и перемещается в область более быстрого вращения, вызывая колебания с более высокой частотой. Список двойных систем с QPO, содержащих черные дыры, всё время растет. Сейчас известно по крайней мере 10 таких систем. Но не все источники вибрируют в низких частотах. Частоты систем с QPO с черными дырами могут доходить до 250 Hz, а квази-периодические колебания двойных систем с нейтронными звёздами могут иметь компоненты частоты до 1,25 KHz. "Когда мы исследуем эти быстрые колебания в системах чёрных дыр, мы действительно чувствуем, что происходит во внутреннем аккреционном диске, около роковой черты," - говорит McCollough. "Это поражает воображение. Мы находимся рядом с областью, где, как известно, пространство и время уже не существуют."