Серия «Устройство Вселенной»

Квазары — ярчайшие объекты из всех, что доводилось наблюдать человечеству. Яркость одного такого объекта может превосходить яркость Солнца в триллион раз — он светит ярче целой галактики с миллиардами звезд. Эти космические маяки, находящиеся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяют астрономам заглянуть в очень далекое прошлое Вселенной.

Но что представляют собой квазары и какие силы обеспечивают им столь невероятную яркость? Давайте разбираться.

Что такое квазар?

Слово "квазар" — сокращение от "квазизвездный радиоисточник". Первый объект такого рода, выглядевший как точечный источник света, похожий на яркую звезду, был обнаружен в 1960 году астрономами Алланом Сэндиджем и Томасом Мэтьюзом. Однако от типичного светила его отличало огромное количество энергии, излучаемой в радиодиапазоне. Несмотря на это, находка, получившая обозначение 3C 48, долгое время рассматривалась как "нетипичная звезда".

Сегодня мы знаем, что 3C 48 и подобные ему объекты — это квазары, представляющие собой активные ядра галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры массой от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Такая черная дыра с лютой жадностью пожирает огромное количество материи, которая ее окружает — газ, пыль, целые звезды — и в ходе этого процесса генерирует колоссальное количество энергии.

Не секрет, что сама черная дыра не способна быть источником света — все, что падает за горизонт событий, не способно вырваться наружу. Но материя, устремляющаяся к черной дыре, разогревается до миллионов градусов, образуя вокруг нее светящийся аккреционный диск. Именно этот диск и джеты (струи вещества, выбрасываемые вдоль оси вращения черной дыры со скоростью, близкой к скорости света) обеспечивают запредельную яркость квазара.

Масштаб яркости

Для сравнения, светимость Солнца около 3,8 × 10^26 ватт. По земным меркам это, конечно, впечатляющий показатель, но в масштабах космоса — капля в море.

Типичный квазар излучает энергию на уровне 10^40–10^41 ватт и светит ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь, в которой может быть более 400 миллиардов звезд.

Просто представьте: объект размером с Солнечную систему (аккреционный диск квазара имеет диаметр в несколько световых дней или недель) светит ярче, чем галактика диаметром в 100 000 световых лет с сотнями миллиардов звезд.

Как работает квазар

Сверхмассивная черная дыра, по сути являющаяся сердцем квазара, поглощает материю с невероятной скоростью — в среднем несколько солнечных масс в год. Падающее вещество закручивается в аккреционный диск, где частицы сталкиваются, трутся друг о друга, разгоняются до релятивистских (околосветовых) скоростей.

Трение и сжатие разогревают диск до 10-100 миллионов градусов, из-за чего материя начинает излучать в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах, то есть в одних из самых энергетичных форм света.

Примечательно, что не вся материя попадает в черную дыру — часть выбрасывается вдоль ее магнитных полюсов в виде релятивистских джетов — узких струй плазмы, способных двигаться со скоростью 99,999<...>% скорости света. При этом протяженность джетов может составлять миллионы световых лет, что позволяет наблюдать их далеко за пределами родительской галактики.

Если джет направлен в сторону наблюдателя, квазар кажется еще ярче из-за релятивистского усиления — эффекта, при котором излучение от объекта, движущегося почти со скоростью света, фокусируется в узкий конус.

Рекордсмен среди квазаров

Самый яркий из известных квазаров — QSO J0529−4351, идентифицированный* в 2024 году. Его светимость превышает светимость Солнца в 500 триллионов раз!

*На самом деле объект оказался в данных наблюдений еще в 1980 году. Однако его десятилетиями считали просто звездой.

QSO J0529−4351 находится на расстоянии около 12 миллиардов световых лет от нас, а значит свет от него, который мы видим сегодня, был испущен, когда возраст Вселенной составлял примерно 1,8 миллиарда лет — она была еще совсем юной.

В центре этого квазара находится сверхмассивная черная дыра массой около 17–20 миллиардов масс Солнца. И эта черная дыра — одна из наиболее быстрорастущих в известной Вселенной. Каждый день она поглощает около одной солнечной массы.

Есть ли квазары рядом с нами?

Абсолютно все известные квазары удалены на миллиарды световых лет от нас. В близлежащих галактиках их нет. Почему?

Потому что квазары существовали исключительно в молодой Вселенной, когда галактики были переполнены газом и пылью — топливом для сверхмассивных черных дыр. В те времена черные дыры активно питались, стабилизируя свои галактики и интенсивно светясь.

Со временем сверхмассивные черные дыры расчистили свои окрестности — поглотили все до чего позволяло "дотянуться" гравитационное поле — и перешли в "спящий режим". То есть сверхмассивные черные дыры никуда не делись, они продолжают пребывать в центрах всех крупных галактик, включая Млечный Путь, — но они больше не светятся** как квазары, потому что нет для этого ресурсов.

**И все же в центрах некоторых галактик есть активные черные дыры. Однако в сравнении с квазарами они светятся крайне тускло, потому что вокруг уже нет такого количества "свободной" материи.

Квазары и судьба галактик

Энергия, выделяемая квазаром, настолько велика, что способна остановить звездообразование в родительской галактике.

Связано это с тем, что джеты и мощное излучение нагревают окружающий газ и часть его выбрасывают из галактики, лишая ее ключевого материала для формирования новых звезд. Это подтверждают наблюдения: в наиболее массивных галактиках практически прекратилось звездообразование.

Интересное наблюдение: в нашей Галактике каждый год рождается всего около 2-3 новых звезд, что является очень низким показателем. Можно предположить, что Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, в свое время питала квазар, который "выжег" львиную долю газа.

Квазары — это одновременно разрушители и созидатели. Они отвечали за рост галактик и распределение материи в ранней Вселенной, формируя ее структуру.

Эра квазаров закончилась миллиарды лет назад. Однако свет, испущенный ими, все еще продолжает свое путешествие по просторам Вселенной, рассказывая о том, каким было это таинственное мироздание в самом начале своей истории.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

Туманность Гомункул — это биполярная эмиссионная туманность в созвездии Киль, находящаяся на расстоянии около 7 500 световых лет от Земли.

Она представляет собой результат выброса вещества звезды-гипергиганта Эта Киля A, масса которой превышает массу Солнца примерно в 100-120 раз. Диаметр этой звезды в 200 раз больше солнечного, а светимость — в пять миллионов раз.

Породившая туманность звезда Эта Киля A является частью двойной системы. Эта Киля B — более "скромный" компаньон с массой около 30-80 масс Солнца и диаметром в 20-24 раза больше солнечного. Его светимость в 500 000 раз превышает аналогичный параметр нашей звезды.

В 1843 году Эта Киля A пережила так называемую Великую вспышку — событие, которое на короткое время сделало ее второй по яркости звездой на земном небе после Сириуса, удаленного "всего" на 8,6 световых года от нас.

Примечательно, что Эта Киля A начала аномально увеличивать свою яркость еще в 1837 году, а пик был достигнут через шесть лет. К 1856 году она перестала быть видимой невооруженным глазом.

В ходе Великой вспышки Эта Киля A выбросила в окружающее пространство колоссальное количество материи — по разным оценкам, от 10 до 20 солнечных масс. Это вещество разлеталось со скоростью около 650 километров в секунду, формируя характерную двухлопастную (биполярную) структуру, напоминающую гантель или песочные часы.

Сегодня туманность продолжает расширяться, а ее полярный диаметр составляет около 0,7 световых года. Газ и пыль, выброшенные почти два века назад, до сих пор светятся под воздействием излучения центральной звезды.

Туманность Гомункул состоит из двух массивных "лопастей", направленных в противоположные стороны вдоль оси вращения звезды. Эта форма объясняется тем, что выброс происходил неравномерно: вещество двигалось быстрее вдоль полюсов звезды и медленнее в экваториальной области.

В центре туманности, где сталкиваются потоки газа, температура достигает миллионов градусов. Эти ударные волны порождают жесткое рентгеновское излучение, которое можно зафиксировать с помощью таких инструментов, как космическая рентгеновская обсерватория NASA "Чандра".

Эта Киля A — одна из самых массивных и нестабильных звезд в нашей Галактике, которая находится на поздней стадии эволюции и считается кандидатом в сверхновые.

По астрономическим меркам, Эта Киля может взорваться в любой момент — завтра вечером, через век или через несколько тысяч лет. Когда это произойдет, взрыв будет настолько мощным, что его можно будет наблюдать с Земли невооруженным глазом даже днем. Однако, учитывая удаленность двойной системы, это событие будет безопасным для нашей планеты и ее обитателей.

Космический аппарат NASA "Вояджер-1" часто называют первым рукотворным объектом, выбравшимся в межзвездное пространство. Звучит эпично. Кажется, будто созданный людьми в XX веке зонд покинул родную планетную систему и теперь летит среди звезд...

Но здесь есть важный нюанс. "Вояджер-1" действительно достиг межзвездного пространства, но это не означает, что он покинул Солнечную систему.

Как же так? Давайте разбираться.

В 2012 году "Вояджер-1" пересек гелиопаузу — внешнюю границу гелиосферы. Гелиосфера — это гигантский "пузырь" околосолнечного пространства, заполненный потоком заряженных частиц — солнечным ветром — и находящийся под сильным влиянием магнитного поля Солнца. Внутри гелиосферы доминирует Солнце, а вот за гелиопаузой главную роль начинает играть межзвездная среда.

Именно поэтому ученые говорят, что "Вояджер-1" вошел в межзвездное пространство: он больше не находится внутри защитного пузыря солнечного ветра. Но Солнечная система — это не только область, заполненная солнечным ветром. У Солнца есть еще и гравитационное влияние, которое простирается намного дальше гелиопаузы.

Считается, что внешней границей Солнечной системы является облако Оорта, представляющее собой гигантскую оболочку из преимущественно ледяных тел, связанных гравитацией Солнца и находящихся от него на колоссальном расстоянии. Именно из облака Оорта приходят долгопериодические кометы.

И вот до этой области "Вояджер-1" еще даже не добрался.

Расчеты NASA показывают, что зонду потребуется около 300 лет, чтобы достичь внутреннего края облака Оорта. А прохождение через облако Оорта займет еще примерно 30 000 лет. И вот тогда можно будет сказать, что человечество выбралось за пределы Солнечной системы и устремилось к звездам. Не секрет, что цивилизации не существуют так долго, поэтому, вероятно, гордиться этим достижением будет некому. Или же наши далекие потомки, обживающие пережитки нашей реальности, банально забудут об этом, решая земные проблемы, которые мы им щедро готовим.

Получается странная, но с физической точки зрения абсолютно верная картина: межзвездное пространство начинается раньше, чем заканчивается Солнечная система.

На самом деле путешествие "Вояджера-1" только начинается.

После запуска в 1977 году и серии гравитационных маневров у Юпитера и Сатурна зонд получил огромную скорость — около 61 200 километров в час — и дальше движется по инерции. В космосе почти нет сопротивления, которое могло бы его быстро затормозить, поэтому аппарату не нужно постоянно "жечь топливо", чтобы продолжать путь, у которого нет конечного пункта назначения.

Сейчас "Вояджер-1" является самым далеким рукотворным объектом и движется в сторону глубин межзвездного пространства. Но даже столь огромная по человеческим меркам скорость выглядит ничтожной в масштабах Вселенной.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

В этом мире бесчисленное множество крайне нестандартных и даже безумных гипотез, но одна из наиболее масштабных заслуживает особого внимания. Согласно идее, которая будет обсуждаться в статье, наша Вселенная может находиться внутри черной дыры. Не где-то рядом с ней, не на ее краю, а именно внутри — как отдельное пространство-время, родившееся по ту сторону горизонта событий.

Почему же я придаю этой концепции такое внимание? Потому что в современной теоретической физике эта гипотеза — далеко не просто вольный полет фантазии с жонглированием околонаучной терминологией. Эта гипотеза успела обзавестись несколькими весомыми аргументами, вынуждающими астрофизиков снова и снова к ней возвращаться.

Главное здесь — не представлять черную дыру как гигантскую яму. Согласно общей теории относительности, черная дыра — это область пространства-времени, из которой ничто не может выбраться наружу. Для внешнего наблюдателя точкой невозврата является горизонт событий. Но что происходит "внутри" черной дыры, за горизонтом событий, — вопрос гораздо более сложный.

В классической картине мироустройства все, что падает в черную дыру, необратимо устремляется к сингулярности — состоянию, где плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. И тут важно уточнить, что в физике сингулярность — не реальное нечто, а по факту предел применимости наших теорий. Другими словами, сингулярность — не реальная точка с бесконечной массой и плотностью, а место, где наша математика просто перестает работать.

И вот здесь появляется первый сильный аргумент в пользу идеи, озвученной в начале.

Космологическая сингулярность — это гипотетическое начальное состояние Вселенной при классической экстраполяции ее расширения назад, к моменту Большого взрыва. А значит, то, что для внешнего наблюдателя выглядело бы как коллапс в черную дыру, внутри могло бы приводить не к окончательному уничтожению материи, а к зарождению и стремительному расширению нового пространства.

То есть черная дыра в такой модели оказывается не просто "пожирателем вещества", а возможной областью, где коллапс материи переходит в рождение новой Вселенной.

И вот тут появляется второй аргумент, основанный на теории Эйнштейна — Картана. В отличие от общей теории относительности, она допускает не только кривизну пространства-времени, связанную с массой и энергией, но и его кручение — торсию. Источником такой торсии выступает спин материи, то есть внутренний угловой момент частиц. В условиях экстремальной плотности, недостижимых ни в каких лабораториях, может проявляться эффект отталкивания, который не дает материи сжаться в точку. Вместо этого возникает отскок: коллапс останавливается, а затем начинается расширение.

Ну, вы понимаете, да?

Рождается черная дыра, жадно поглощает материю, которая внутри нее сжимается до некого предела, а после не исчезает в "невозможной бесконечности", а переходит в фазу расширения. И это уже подозрительно напоминает то, что мы называем рождением и эволюцией Вселенной.

Третий аргумент связан с горизонтом событий. Если наша Вселенная действительно зародилась внутри черной дыры, то "родительская" область для нас недоступна, какими бы совершенными инструментами мы ни обзавелись. Потому что ничто не может покинуть черную дыру и передать информацию наружу.

И это хорошо перекликается с природой космологического горизонта. Если взять нас за центр наблюдаемой области Вселенной, то ее диаметр будет составлять около 93 миллиардов световых лет. Все, что находится дальше, принципиально недоступно для прямых наблюдений в силу непрекращающегося расширения Вселенной и ограниченности скорости света.

То есть гипотеза не требует, чтобы наши наблюдения в какой-то момент увидели стенки черной дыры. Для жителей такой Вселенной все выглядело бы как расширяющееся пространство-время, границы которого невозможно ни нащупать, ни увидеть.

Четвертый аргумент — направление времени. Миновав горизонт событий черной дыры, движение возможно только в одну сторону. То есть нельзя попасть в черную дыру, а после развернуться и начать двигаться назад. Это создает естественную асимметрию: прошлое и будущее перестают быть равноправными направлениями.

Наша Вселенная тоже имеет стрелу времени. Мы помним прошлое, но не помним будущее. Энтропия растет. События разворачиваются в одном направлении. И никто не может просто взять и вернуться в прошлое, потому что оно недоступно нам на физическом уровне.

Пятый аргумент связан с вращением черных дыр. Это доказанный факт. А как дела обстоят с объектами в нашей Вселенной? Да в ней вообще все и всегда вращается! Вещество падает в черные дыры с угловым моментом. А значит, у черной дыры есть ось вращения. Если новая Вселенная рождается внутри вращающейся черной дыры, она должна унаследовать некую "память" об этой оси. Тогда в устройстве космоса должно было бы существовать некое слабое выделенное направление.

Именно поэтому столько шума вызвали данные космического телескопа NASA "Джеймс Уэбб". В рамках глубокого обзора JADES было обнаружено, что галактик, вращающихся в одном направлении относительно Млечного Пути, оказалось заметно больше, чем в другом.

Конечно, все это можно объяснять крупномасштабной асимметрией. Но с другой стороны, это согласуется и с рождением Вселенной внутри вращающейся черной дыры.

Шестой аргумент — информационный. Черные дыры уже давно заставляют физиков думать о связи между гравитацией, квантовой механикой и информацией. С ними связаны идеи энтропии черных дыр и голографического принципа, согласно которому информация о трехмерной области может быть "записана" на ее двумерной границе.

И это способно естественным образом обойти проблему сингулярности. Вместо невозможной точки с бесконечной массой и плотностью появляется физический переход: коллапс в одном мире становится началом расширения в другом. Черные дыры в таком сценарии — не конец истории, а механизм "космического размножения".

Получается этакая матрешка: в одной Вселенной рождаются черные дыры, внутри них рождаются новые вселенные, а внутри тех — следующие черные дыры и новые миры.

Итак, гипотеза о том, что наша Вселенная находится внутри черной дыры, логична и способна объяснить ряд глубоких вопросов: природу сингулярности, стрелу времени, возможную крупномасштабную асимметрию космоса и судьбу материи, попавшей за горизонт событий.

Однако пока это не доказанная картина мира. Но если гипотеза верна, то каждая черная дыра может быть не только концом для падающей материи, но и началом для целого нового космоса.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway