Как появляются чёрные дыры¶

Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное поле которой настолько сильно, что из неё не может вырваться ничто, включая свет. Появление чёрных дыр — это процесс гравитационного коллапса объектов, масса которых превышает предел устойчивости, поддерживаемого давлением вырожденного газа или энергией термоядерного синтеза. В природе чёрные дыры образуются несколькими способами, основными из которых являются коллапс массивных звёзд, слияние нейтронных звёзд, рост сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик и, гипотетически, процессы в ранней Вселенной.

¶Образование из массивных звёзд

Наиболее изученный канал образования чёрных дыр — гравитационный коллапс массивных звёзд с начальной массой более 20—25 солнечных масс. В процессе эволюции звезда сжигает ядерное топливо: водород, затем гелий, углерод, неон, кислород, кремний. Каждая стадия синтеза длится короче предыдущей. Когда в ядре образуется железо, синтез становится энергетически невыгодным: распад железа поглощает энергию, а не выделяет её. Давление излучения, поддерживавшее звезду, исчезает за доли секунды.

Ядро звезды коллапсирует со скоростью, приближающейся к скорости света, за 0,1—0,2 секунды. Электронное вырождение не удерживает вещество: при сверхкритической плотности электроны втягиваются в протоны с образованием нейтронов и нейтрино. Если масса ядра превышает предел Толмена — Оппенгеймера — Волкова (около 2—3 солнечных масс), нейтронное давление не останавливает коллапс. Образуется горизонт событий — граница, изнутри которой выход света невозможен. Внешние слои звезды обрушиваются на сверхплотное ядро, происходит взрыв сверхновой типа II (или Ib, Ic), выбрасывающий в космос оболочку звезды. За несколько секунд формируется чёрная дыра.

Наблюдательно этот процесс был подтверждён в 1987 году, когда в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая SN 1987A — предшественница нейтронной звезды или чёрной дыры. Прямое обнаружение горизонта событий у такой чёрной дыры в нашей Галактике пока не удалось.

¶Результаты слияния нейтронных звёзд

Второй канал — слияние двойных систем нейтронных звёзд. Нейтронная звезда — сверхплотный объект массой 1,1—2,3 солнечных масс, устойчивый за счёт нейтронного вырожденного давления. Если в двойной системе обе компоненты находятся ниже совокупного предела устойчивости, их слияние формирует чёрную дыру.

Процесс сопровождается гравитационными волнами, впервые зарегистрированными детекторами LIGO и Virgo 17 августа 2017 года в событии GW170817. Одновременно зафиксирована кратковременная гамма-вспышка GRB 170817A и оптическая вспышка (килонова), подтвердившие образование тяжёлых элементов — золота, платины, урана — в выброшенном веществе. Слияние нейтронных звёзд — один из основных источников элементов тяжелее железа во Вселенной.

¶Сверхмассивные чёрные дыры

В центрах практически всех крупных галактик, включая Млечный Путь, находятся сверхмассивные чёрные дыры массой от миллионов до миллиардов солнечных масс. В центре нашей Галактики расположена Стрелец A* массой около 4,15 млн солнечных масс; её изображение получено коллаборацией Event Horizon Telescope в 2022 году.

Механизм образования сверхмассивных чёрных дыр до конца не ясен. Обсуждаются две основные гипотезы. Первая — «низкая»: из сверхмассивных звёзд первых поколений (population III), коллапсирующих в чёрные дыры массой в сотни солнечных масс, которые затем растут за счёт аккреции и слияний. Вторая — «высокая»: гравитационный коллапс сверхплотных скоплений газа в ранней Вселенной или слияния чёрных дыр в плотных звёздных скоплениях. Наблюдения квазаров с красным смещением z > 7 показывают, что сверхмассивные чёрные дыры существовали уже через 700 млн лет после Большого взрыва, что ограничивает модели их роста.

¶Примордиальные чёрные дыры

Гипотетический третий канал — примордиальные чёрные дыры, сформированные из флуктуаций плотности в ранней Вселенной, через 10⁻²³—10⁻¹⁶ секунды после Большого взрыва. Их массы теоретически могут лежать в широком диапазоне — от планктонных до тысяч солнечных. Прямых подтверждений существования примордиальных чёрных дыр нет, но они рассматриваются как одна из возможных составляющих тёмной материи.

¶Кандидаты в промежуточной массе

Отдельный класс — чёрные дыры промежуточной массы (10²—10⁵ солнечных масс). К ним относится объект HLX-1 в галактике ESO 243-49 и кандидат 3XMM J215022.4−055108. В 2020 году в шаровом скоплении M22 обнаружен кандидат в чёрные дыры промежуточной массы, поглощающий межзвёздный газ. Такие объекты могут быть «зародышами» сверхмассивных чёрных дыр или результатом слияний нейтронных звёзд и чёрных дыр звёздной массы.

¶Наблюдательные подтверждения

Первая чёрная дыра, ставшая общепринятой в научном сообществе, — Cygnus X-1, рентгеновский источник в созвездии Лебедя, открытый в 1964 году и идентифицированный как кандидат в чёрные дыры в 1971 году. В 2021 году астрономы подтвердили, что его масса (21,2 солнечных масс) превышает предел Оппенгеймера — Шварцшильда.

В 2015 году детекторы LIGO зарегистрировали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр массой 36 и 29 солнечных (событие GW150914), что стало первым непосредственным наблюдением процесса образования чёрной дыры. В 2019 году Event Horizon Telescope получил первое изображение горизонта событий чёрной дыры M87* в галактике M87.

¶Значение

Понимание механизмов образования чёрных дыр важно для астрофизики: эти объекты ограничивают эволюцию звёзд, галактик и крупномасштабную структуру Вселенной. Слияния чёрных дыр служат источниками гравитационных волн — нового канала наблюдений, дополняющего электромагнитную астрономию.

¶Источники

• Мишель, К. «Чёрные дыры и время и другие эссе». — М.: Наука, 1985.
• Новиков, И. Д. «Эволюция Вселенной». — М.: Наука, 1983.
• Shapiro, S. L., Teukolsky, S. A. «Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars». — Wiley, 1983.
• Carroll, B. W., Ostlie, D. A. «An Introduction to Modern Astrophysics». — Cambridge University Press, 2017.
• Материалы коллабораций LIGO/Virgo/KAGRA и Event Horizon Telescope.