Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть пределы горизонта событий. Но, оказывается, аппетит этих космических монстров подчиняется неожиданным правилам. Международная команда астрономов под руководством Серы Маркофф из Амстердамского университета выяснила: сверхмассивные черные дыры в центрах галактик поглощают вещество точно так же, как их гораздо более скромные собратья, рождающиеся после взрывов сверхновых. Размер здесь не играет роли.

Охотники за рентгеновскими фотонами

Чтобы разобраться в пищевых привычках черных дыр, ученые обратили взор на галактику М 81 в созвездии Большой Медведицы. Она находится примерно в 11,6 миллиона световых лет от нас и обладает активным ядром с массивной черной дырой. Главным инструментом стал космический телескоп NASA Chandra — единственный, способный различить рентгеновские фотоны, испускаемые падающим на черную дыру веществом. Когда материя закручивается в аккреционный диск и разгоняется до околосветовых скоростей, она генерирует характерное излучение, которое тонет в общем рентгеновском фоне галактики. Chandra сумел выделить этот слабый сигнал.

Но одних рентгеновских данных мало. Параллельно астрономы задействовали целую армию радиотелескопов: Giant Meterwave Radio Telescope, Very Large Array и Very Long Baseline Array. В миллиметровом диапазоне работали Plateau de Bure Interferometer и Submillimeter Array. А оптические наблюдения вел телескоп обсерватории Лик. В общей сложности накопилось 46 часов наблюдений, которые впервые дали настолько точное распределение энергии излучения для супермассивной черной дыры с массой в миллионы солнечных.

Модель Эйнштейна против реальности

Полученные данные сравнили с математической моделью черной дыры, построенной на основе общей теории относительности, и с известными распределениями энергии для «обычных» черных дыр звездных масс — тех, что остаются после гибели массивных звезд. Совпадение оказалось поразительным. Схема питания не зависит от масштаба: будь то дыра в десятки солнечных масс или монстр в миллионы раз тяжелее Солнца, физика процесса одна и та же. Вещество падает, разогревается, излучает — и количество «съеденного» ограничено не размерами дыры, а окружающей средой. Рентгеновская обсерватория XMM-Newton уловила ритмичные вспышки от сверхмассивной чёрной дыры — точно такие же, какие выдают её «младшие» собратья звёздной массы, подтверждая универсальность аккреционных процессов.

Это открытие не просто подтверждает универсальность законов физики. Оно дает астрономам новый инструмент для поиска черных дыр промежуточных масс — объектов с массами в сотни и тысячи солнечных, которые пока ускользают от обнаружения. Астрономы надеялись найти в шаровом скоплении RZ2109 черную дыру промежуточной массы — «недостающее звено» эволюции, но обнаружили лишь объект в 10 солнечных. Как они формируются, до сих пор неясно, но теперь ученые знают, как должно выглядеть их излучение. Возможно, именно эти «средние» дыры помогут понять, как из звездных зародышей вырастают галактические гиганты.

От Мичелла до Шварцшильда

Сама идея черных дыр куда старше, чем принято думать. Еще в 1783 году английский естествоиспытатель Джон Мичелл, а позже и Пьер-Симон Лаплас, рассуждали: если сжать тело до определенного радиуса, вторая космическая скорость — та, что нужна для преодоления тяготения, — станет равна скорости света. И тогда ничто, даже свет, не сможет покинуть этот объект. Для Земли такой радиус (сегодня его называют радиусом Шварцшильда) составил бы всего 8 миллиметров, для Солнца — около 3 километров. Потребовалась общая теория относительности Эйнштейна, чтобы эти умозрительные построения обрели строгую математическую форму.

Сегодня мы знаем: черные дыры звездных масс рождаются, когда умирают сверхмассивные звезды — те, что тяжелее 20–25 солнц. Их ядра коллапсируют, и гравитация сжимает остатки в точку. А в центрах галактик скрываются куда более внушительные объекты — их массы достигают сотен миллионов солнечных. Как именно они вырастают до таких размеров, пока остается загадкой. Но работа группы Маркофф подсказывает: механизм аккреции универсален, и это приближает нас к разгадке.