Самые мощные выбросы энергии во Вселенной после Большого взрыва
В 2020 году рентгеновская обсерватория НАСА «Чандра» вошла в историю, объявив о самом мощном выбросе энергии, когда-либо обнаруженном во Вселенной. В скоплении галактик, расположенном на расстоянии около 390 миллионов световых лет от нас, сверхмассивная чёрная дыра образовала джет, создавший огромную полость в межгалактическом пространстве этого скопления. Общее количество энергии, необходимое для этого феномена, оценивается в 5 × 1054 Дж. Это максимальная энергия для любого единичного события, которое человечество когда-либо наблюдало. Только сам Большой взрыв, который по определению содержал в себе всю энергию Вселенной, был более мощным выбросом энергии.
Но есть ещё один класс событий, которые определённо случаются и могут выдать ещё больше энергии за ещё более короткий промежуток времени: слияние двух сверхмассивных чёрных дыр. Хотя мы никогда не видели такого события, это лишь вопрос времени и технологий. Когда мы его увидим, старый рекорд будет побит — возможно, довольно серьёзно.
Во Вселенной происходит множество событий, которые можно считать взрывами или катаклизмами — когда за короткий промежуток времени высвобождается большое количество энергии. Очень массивная звезда, достигшая конца своей жизни, взрывается сверхновой II типа, оставляя после себя либо чёрную дыру, либо нейтронную звезду. За последние несколько секунд своей жизни она выделяет около 1044 Дж энергии; ну, а особый класс сверхновых, гиперновые, могут выдать ещё в 100 или даже более раз больше энергии.
Долгое время сверхновые использовались в качестве стандарта, по которому измерялись все другие катаклизмы. Будучи самыми яркими электромагнитными явлениями на небе, по яркости они могут затмить целые галактики — всё зависит от их индивидуальных характеристик и общей массы рассматриваемой галактики.
Единственными явлениями, которые соперничали с выбросами энергии от сверхновых или превосходили их, были гамма-всплески или более протяжённые во времени события — такие, как слияние галактик или скоплений галактик, или же сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие огромные количества материи. В 2010-х годах мы выяснили происхождение по крайней мере некоторых гамма-всплесков: это оказались килоновые, то есть слияния пар нейтронных звёзд. Если суммировать гравитационные волны и электромагнитное излучение, то значительное количество массы — около 1029 килограммов, или около 5% массы Солнца — превращается в чистую энергию, что приводит к выделению энергии около 1046 Дж.
С другой стороны, активные галактики и квазары могут выдавать ещё больше энергии. Огромное количество массы, возможно, миллионы или даже миллиарды солнечных масс, может попасть в центральную сверхмассивную чёрную дыру, где в результате аккреции ей придадут ускорения и разорвут её на части. Испускаемые впоследствии в космос вещество и излучение могут дать в общей сложности ~1054 Дж энергии, хотя процесс этот может длиться миллион лет или более, что делает это событие хоть и высокоэнергетическим, но маломощным.
Но физика Вселенной разрешает происходить событиям, излучающим ещё большее количество энергии, причём в гораздо более сжатые сроки. В прошлом десятилетии Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория NSF (LIGO) зафиксировала первое гравитационно-волновое событие, порождённое двумя сливающимися чёрными дырами. Впервые в истории мы увидели, как две чёрные дыры с разной массой (36 и 29 масс Солнца соответственно) слились вместе и образовали чёрную дыру конечного состояния с меньшей массой (62 массы Солнца).
Это было чрезвычайно большое событие, принёсшее ряду учёных Нобелевскую премию 2017 года за открытие гравитационных волн. В последующие годы было обнаружено ещё много слияний чёрных дыр с чёрными дырами и кандидатов на подобное слияние, и на сегодняшний день их известно около 100, а ещё больше открытий ожидается в ходе новых и предстоящих запусков LIGO, Virgo и KAGRA — величайшего в мире массива детекторов гравитационных волн. Во всех случаях наблюдалось одно и то же странное и захватывающее поведение: большие объёмы массы превращаются в чистую энергию всего за несколько миллисекунд, в последние мгновения сближения и слияния чёрных дыр.
В этих слияниях чёрной дыры с чёрной дырой есть два чрезвычайно интересных момента.
Во-первых, во всех случаях пиковая мощность излучения, энергия в единицу времени, была примерно одинаковой. На крошечную долю секунды их энергия превзошла суммарную энергию излучения всех звёзд во Вселенной, вместе взятых. Но у более массивных слияний пиковая мощность сохранялась дольше, в результате чего в сумме было выделено больше энергии.
Во-вторых, можно сделать очень простое приближение для общего количества энергии, высвобождаемой через гравитационные волны при слиянии чёрной дыры с чёрной дырой: около 10% меньшей из двух чёрной дыры превращается в чистую энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc². Хотя сильно неравное соотношение масс может смещать эту цифру к несколько меньшим значениям, «около 10%» остаётся отличным приближением для всех слияний пар чёрных дыр, из когда-либо наблюдавшихся по состоянию на 2023 год.
Для первого обнаруженного слияния пары чёрных дыр общее количество выделенной энергии составило ~1048 Дж, и это произошло за промежуток времени, равный всего 200 миллисекунд.
А что, если вместо слияния двух чёрных дыр «звёздной массы», от нескольких единиц до нескольких десятков солнечных масс, мы возьмём самые массивные чёрные дыры во Вселенной: сверхмассивные чёрные дыры из центров галактик? Когда они сольются вместе, произойдёт ряд событий, которые приведут к невообразимому выбросу энергии, который — по крайней мере, теоретически — должен стать крупнейшим после Большого взрыва.
При слиянии двух галактик их чёрные дыры будут приближаться к новому взаимному центру масс из-за гравитационных взаимодействий между другими массами. Сначала среди процессов будет преобладать взаимодействие с газом и другой обычной материей, что приведёт к тому, что эти чёрные дыры выйдут на относительно узкую короткопериодическую орбиту. На последней стадии слияния, которая продлится примерно ~25 миллионов лет, основная утечка энергии системы будет идти через гравитационные волны, что приведёт к масштабному сближению и слиянию.
Когда две чёрные дыры сливаются вместе, их взаимное падение друг на друга по спирали деформирует пространство, а их движение через это деформированное пространство приводит к испусканию гравитационного излучения, которое уносит энергию от системы чёрная дыра-чёрная дыра наружу, во Вселенную. Учитывая, что мы знаем о чёрных дырах, масса которых во много миллиардов раз превышает массу нашего Солнца, слияние пары чёрных дыр с массой в сотни миллионов солнечных масс рано или поздно произойдёт.
В частности, есть такая система, OJ 287. Она состоит из чёрной дыры с массой 150 миллионов солнечных масс, находящейся на близкой орбите вокруг чёрной дыры с массой ~18 миллиардов солнечных масс. Когда они сольются, в последние мгновения этого события будет выброшено ~3 × 1054 Дж энергии, пик которой придётся на момент окончания фазы взаимного падения и начало фазы слияния. К сожалению, частота гравитационных волн этого события будет совсем не та, которую смогли бы обнаружить LIGO или даже будущая система LISA. Но подобное крупное слияние смогут выявить другие приборы, измеряющие синхронизацию пульсаров — особенно если две массы будут относительно близки друг к другу по величине.
Первые сближающиеся сверхмассивные чёрные дыры, согласно нашим лучшим современным оценкам, мы сможем обнаружить уже в этом десятилетии с помощью современных приборов, таких как NANOGrav, European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array. По мере сближения эти сверхмассивные чёрные дыры должны излучать гравитационные волны с достаточно большой амплитудой и с предсказуемой, наблюдаемой частотой. Если мы поймём, как смоделировать эту частоту и описать популяцию этих сверхмассивных пар чёрных дыр, то за оставшуюся часть 2020-х годов мы сможем обнаружить подобную пару.
Когда мы впервые обнаружили слияние пары чёрных дыр, за короткий промежуток времени, длившийся менее 200 миллисекунд, оно произвело больше энергии, чем все звезды во Вселенной, вместе взятые. Если мы сможем обнаружить слияние сверхмассивных чёрных дыр, масса меньшей из которых будет больше 500–600 миллионов солнечных масс, то оно не только будет излучать больше энергии, чем все звезды во Вселенной, в течение примерно недели, но и станет самым мощным событием со времён Большого взрыва, излучив за этот промежуток времени более ~1055 Дж.
Но вполне вероятно, что в каких-нибудь больших скоплениях галактик, пары чёрных дыр массой в миллиарды или даже десятки миллиардов солнечных сливаются вместе или уже слились. Например, в близлежащем скоплении Кома есть неплохие массивные галактики: NGC 4889 с чёрной дырой массой в 21 миллиард солнечных масс и NGC 4874, которая выглядит более массивной и обладает вдвое большим количеством шаровых скоплений, но массу её чёрной дыры мы пока ещё не посчитали.
При слиянии двух сверхмассивных галактик, содержащих чёрные дыры, мы будем искать не только гравитационные волны. Они должны будут испускать и электромагнитное излучение, особенно в рентгеновском диапазоне, что открывает нам возможности для изучения этих мега-событий как по гравитационным волнам, так и по электромагнитным сигналам одновременно, причём ещё до начала слияния. Поскольку проекты Athena от ЕКА и, в перспективе, Lynx от НАСА пополнят наш арсенал рентгеновской астрономии, мы, возможно, наконец, обнаружим прототип того, что обещает стать самым мощным событием во Вселенной.
Один из самых замечательных фактов о сливающихся чёрных дырах заключается в том, что максимальная скорость излучаемой гравитационно-волновой энергии совсем не зависит от их массы, а скорее определяется фундаментальными константами Вселенной. Чем тяжелее чёрные дыры, тем больше энергии они излучают, но тем медленнее они сближаются друг с другом. Однако их слияния всё равно должны оказаться самыми высокоэнергетическими событиями во всей Вселенной, поскольку именно в самом конце падения друг на друга и в начале фазы слияния высвобождается наибольшее количество энергии. Даже для этих сверхмассивных гигантов речь будет идти не более чем о нескольких секундах пикового выделения энергии.
Благодаря постоянно совершенствующемуся набору инструментов, детекторов и новых методов, первые намёки на наблюдение слияния сверхмассивных пар чёрных дыр могут появиться уже в этом десятилетии. И это станет невероятным событием для гравитационно-волновой астрономии — науки, которая впервые добилась успеха менее 8 лет назад. Сверхмассивные слияния пар чёрных дыр, несомненно, будут самыми высокоэнергетическими событиями во всей Вселенной — после Большого взрыва. И уже вот-вот они станут доступны для наблюдения.
