Звёздные хороводы в галактике Hen 2–10

Ранее я пару раз пытался рассуждать здесь о том, что могут представлять собой объекты, расположенные в центрах галактик и характеризуемые как сверхмассивные чёрные дыры. Поскольку мы не наблюдаем эти объекты непосредственно, а судим о них по воздействию на окружающее пространство, чёрные дыры в центрах галактик могут проявлять причудливые свойства, например, становиться основным двигателем звездообразования, если очень крупная чёрная дыра располагается в небольшой галактике. Именно о таком экзотическом объекте я расскажу под катом. Галактика, о которой пойдёт речь, в различных источниках именуется Hen 2–10, Henize 2–10 ESO 495–21 и LEDA 2417. Она находится в созвездии Компас примерно в 27 миллионах световых лет (8,24 мегапарсек) от Земли.

Карликовая галактика Henize 2–10 названа так по номеру в каталоге звёзд и туманностей, составленном Карлом Гордоном Хенайзом, (1926 — 1993). Её диаметр составляет всего около 3000 световых лет (для сравнения): диаметр Млечного Пути — немного более 100 000 световых лет, а толщина — 1000 световых лет. Но Hen 2–10 примечательна отнюдь не миниатюрностью, а тем, что в центре этой галактики может располагаться гигантская чёрная дыра. Парадоксально, что именно с этим сверхтяжёлым компактным объектом связана вспышка или даже «волна» звездообразования, наблюдающаяся в столь небольшом объёме. В англоязычных источниках такие объекты называются «starburst galaxy».

Версии о внутренней структуре Hen 2–10

В более крупных галактиках сверхмассивная чёрная дыра оказывает противоположное воздействие: поглощает звёздные системы, устремляющиеся в неё как в воронку. Вокруг чёрной дыры формируются магнитные поля и галактические джеты, то есть, струи плазмы, выбрасываемые из галактики перпендикулярно её диску почти со скоростью света. В нашей галактике таких джетов нет, но наблюдаются причудливые пузыри Ферми, о которых я ранее писал на Хабре. В обычной галактике плазма джетов приобретает такую скорость, что, несмотря на высокую температуру, уже не может сформировать звёзды. Но чёрная дыра в центре Hen 2–10 действует иначе: у неё не хватает энергии на образование джета, а плотность окружающих её газопылевых облаков оказывается достаточной, чтобы само вращение вокруг чёрной дыры запускало в них звездообразование.

Подобных галактик очень мало, и есть основания полагать, что они — реликтовые. Возможно, именно такие крошечные галактики образовывались в первый миллиард лет её существования. Происхождение сверхмассивных чёрных дыр пока остаётся невыясненным (ранее в статье «Заря квазаров» я излагал не самый популярный взгляд на эту проблему). Возможно, сначала галактики нарабатывают тяжёлые элементы из гелия и водорода, постепенно снося их в чёрные дыры. Согласно другой версии, сверхмассивные чёрные дыры древнее галактик и сами собирают вокруг себя газопылевые звёздные острова. Наконец, галактика и чёрная дыра могут развиваться вместе. Hen 2–10 — очень маленькая галактика, как раз свидетельствующая в пользу второй версии: крупная чёрная дыра успела собрать вокруг себя небольшую галактику и полностью определяет её жизненный цикл. Впрочем, как я ранее писал в статье о Cloud-9, реликтовые беззвёздные облака, сопоставимые по размеру с галактиками, могут не только не содержать чёрных дыр, но и практически не содержать звёзд.

Формирование подобных карликовых галактик хорошо согласуется с картиной расширения Вселенной. Количество вещества во Вселенной в форме протонов, нейтронов и нейтрино остаётся стабильным (если не учитывать аннигиляцию), а сама ткань пространства‑времени расширяется. Соответственно, на заре времён концентрация вещества во Вселенной должна была быть выше, чем сегодня. Это могло способствовать активному звездообразованию (тем самым «вспышкам», которые упоминаются в термине «starburst galaxy») в пределах мелких галактик.

В центре большинства галактик содержится активный источник радиоизлучения, который связывают с наличием сверхмассивной чёрной дыры. В Млечном Пути он называется «Стрелец А*», масса источника составляет около 4 миллионов солнечных масс, из которых около ¾ приходится на внешние оболочки, а 1 миллион солнечных масс — на саму чёрную дыру. В свою очередь, по оценке, опубликованной в октябре 2016, масса аналогичного источника в центре Hen 2–10 составляет почти 75% от массы Стрелец A*.

Такой объект называется «активное ядро галактики» (АЯГ) и представляет собой естественную лабораторию, иллюстрирующую формирование звёздных яслей и сверхмассивных чёрных дыр. По‑видимому, в молодой Вселенной эти процессы были тесно взаимосвязаны.

Происхождение сверхмассивных чёрных дыр

Здесь напомню, какие теории формирования сверхмассивных чёрных дыр сейчас считаются наиболее вероятными.

1. Такая чёрная дыра могла сформироваться точно как и небольшая чёрная дыра звёздной массы, то есть, как остаток от взрыва сверхновой. Если на раннем этапе развития галактик несколько сверхновых могло взорваться в небольшом объёме, то их материя могла бы послужить зерном для сверхмассивной чёрной дыры.

2. Возможно, на ранних этапах развития Вселенной могли образовываться звездоподобные объекты размером с современную небольшую галактику, и в масштабах целого «звёздного острова» могла идти термоядерная реакция. Ранее я рассказывал на Хабре о таких объектах в статье «Звездогналактики или история о третьем населении».

3. В сверхмассивную чёрную дыру может превратиться крупное звёздное скопление, если в какой‑то момент его развития масса молодых звёзд окажется сгруппирована так тесно, что успеет обрасти горизонтом событий. Такое явление называется «гравитационный коллапс» (в свежей статье на Хабре уважамый Олег Антипов @olegantipovDDG рассказал о том, как гравитационный коллапс приводит к возникновению сингулярностей).

В настоящее время ни одна из этих теорий не является преобладающей, так как сложно смоделировать подобные события. Но Hen 2–10 максимально похожа на «лабораторный образец», поскольку до наших дней сохранилась маленькой, а не влилась в состав более крупных спиральных галактик (о механизмах такого слияния и о грядущем близком контакте между Млечным Путём и Андромедой я рассказывал на Хабре в статье «За три миллиарда лет до зарождения Милкомеды»). Таким образом, чёрные дыры в составе мелких галактик должны быть наиболее похожи на те чёрные дыры, которые существовали в ранней Вселенной.

При изучении сверхмассивных чёрных дыр всё больше внимания уделяется их джетам. Поскольку джет доступен для наблюдения в разных спектрах, он позволяет судить о физических свойствах чёрных дыр. Так, уважаемый @SLY_G писал на Хабре о том, что именно по джету удалось определить, что чёрная дыра в центре галактики М87 вращается. Действительно, чёрная дыра аккумулирует массу как воронка, но значительная часть звёздного вещества выбрасывается за пределы галактики, увлекаемая струями джета. В Hen 2–10 про‑то джет, по‑видимому, присутствует, но эффект от него иной: его энергия подпитывает звездообразование в пределах галактики.

Альтернативные объяснения: что ещё может таиться в Hen 2–10

Группа под руководством Эми Рейнс, работающей на факультете астрономии в Виргинском университете, в которой также участвовали Келси Джонсон и Кристал Броган из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлотсвилле, штат Виргиния, описывали вероятную структуру Hen 2–10 в статьях 2011 и 2016 года. Затем эти версии неоднократно пересматривались, я бы особо отметил статью «Revisiting the Gas Dynamics of Henize 2–10: Possible Drivers of the Starburst», опубликованную под руководством всё той же Келси Джонсон. Дело в том, что мы можем быть уверены лишь в наличии сильного компактного радиоисточника в центре Hen 2–10, но это не обязательно должна быть сверхмассивная чёрная дыра. Какие ещё экзотические объекты могут там находиться?

Во‑первых, это может быть совокупность мелких чёрных дыр околозвёздной массы, которые ещё не слились в одну. Во‑вторых, учитывая, что галактика излучает в рентгеновском спектре сильнее, чем в радиодиапазоне, мы можем иметь дело с рентгеновской двойной или с микроквазаром, которые сохраняются так долго, будучи окутаны своей галактикой как оболочкой. Микроквазары, первый из которых был открыт в 1978 году, в отличие от обычного квазара, находятся совсем недалеко от нас. Первый объект такого рода, названный SS-433, расположен в созвездии Орла на расстоянии 18–19 тысяч световых лет от нас, тогда как от полноценных квазаров нас отделяют миллиарды или, как минимум, сотни миллионов световых лет — версии о том, почему квазары находятся так далеко, я высказывал в статье «Заря квазаров». Микроквазар, в отличие от чёрной дыры, не должен обладать горизонтом событий (теоретически, подобный горизонт может лежать в его глубине, но не на поверхности) и очень ярок, следовательно, удобен для наблюдения. Подробнее об этом объекте рассказывала на Хабре уважаемая @ancotir.

В‑третьих, учитывая, что компактный источник подпитывает активное звездообразование на всю толщину своей галактики, в центре её может располагаться колоссальная звёздная колыбель. Она может быть наполнена сверхновыми типа Ia, где белый карлик перетягивает на себя звёздное вещество голубого гиганта.

Следовательно, в центре Hen-2 могут соседствовать назревающие таким образом сверхновые, а также остатки уже взорвавшихся сверхновых. Согласно некоторым оценкам, в объёме диаметром 3000 световых лет может быть до 15 назревающих сверхновых (такая оценка делается по общей мощности наблюдаемого радиоисточника). Если продолжать аналогию с естественной лабораторией, то в этой галактике могут складываться уникальные условия для интерференции гравитационных волн, поступающих сразу от множества источников, а также для формирования сверхтяжёлых химических элементов, например, суперактиноидов.

Заключение

Идея написать эту статью сложилась у меня по мотивам одной из бесед с уважаемым @dionisdimetor который исследует в своём блоге на Хабре, а также в регулярно публикуемых подкастах масштабные философские вопросы — в частности, идеи о Мультивселенной и о квантовой природе информации. Мой собеседник спрашивал, возможно ли, на мой взгляд, извлекать энергию из чёрной дыры. Приведённый здесь экскурс в удивительные свойства Hen 2–10, пожалуй, позволяет утвердительно ответить на этот вопрос. Компактный источник в центре этой галактики, чем бы он ни был, не только преобразует энергию в целые рои молодых звёзд, но и не даёт ей утекать за пределы галактики. Если этот источник — не чёрная дыра, а микроквазар или другой экзотический объект, то извлекать из него энергию должно быть ещё проще и эффективнее, чем при попытках работать с чёрной дырой звёздной массы. Надеюсь, что возможность использования такого астрогенератора будет проверена хотя бы на компьютерных моделях.