Одними из самых мощных объектов во Вселенной являются квазары — вращающиеся черные дыры, излучающие высокоэнергетические частицы. Если подойти слишком близко к такому объекту, можно быть втянутым в его гравитационное поле или сгореть от интенсивного тепла, окружающего его. Но, иронично изучение черных дыр и их джетов может дать исследователям представление о том, где могут находиться потенциально обитаемые миры во Вселенной.
Как астрофизик, я провел два десятилетия, моделируя, как вращаются черные дыры, как это создает джеты и как они влияют на окружающую их среду в космосе.
Черные дыры — это массивные объекты, которые используют гравитацию, чтобы притягивать окружающие объекты к себе. Активные черные дыры имеют структуру в форме блина, называемую аккреционным диском, который содержит горячий, электрически заряженный газ.
Плазма, из которой состоит аккреционный диск, поступает из более удаленных частей галактики. Когда две галактики сталкиваются и сливаются, газ направляется в центральную область этого слияния. Часть этого газа оказывается близко к вновь образованной черной дыре и формирует аккреционный диск.
В центре каждой массивной галактики находится одна сверхмассивная черная дыра.
Черные дыры и их диски могут вращаться, и когда они это делают, они притягивают пространство и время за собой — концепция, которая вызывает недоумение и очень трудно воспринимается на интуитивном уровне. Однако черные дыры важны для изучения, поскольку они производят огромное количество энергии, способной влиять на галактики.
Энергетичность черной дыры зависит от различных факторов, таких как масса черной дыры, скорость ее вращения и количество материала, падающего на нее. Слияния подпитывают самые энергичные черные дыры, но не все черные дыры получают газ от слияния. Например, в спиральных галактиках меньше газа обычно попадает в центр, и центральная черная дыра имеет меньшую энергию.
Один из способов, с помощью которого они генерируют энергию, — это то, что ученые называют «струями» высокоэнергетических частиц. Черная дыра может притягивать магнитные поля и энергичные частицы, окружающие ее, и затем, когда черная дыра вращается, магнитные поля закручиваются в струю, которая излучает высокоэнергетические частицы.
Магнитные поля закручиваются вокруг черной дыры, когда она вращается, накапливая энергию — как когда вы тянете и закручиваете резинку. Когда вы отпускаете резинку, она резко выскакивает вперед. Аналогичным образом, магнитные поля высвобождают свою энергию, производя эти джеты.
Эти струи могут ускорять или подавлять образование звезд в галактике, в зависимости от того, как энергия высвобождается в родительскую галактику черной дыры.
Некоторые черные дыры, однако, вращаются в другом направлении, чем аккреционный диск вокруг них. Это явление называется контрвращением, и некоторые исследования, проведенные моими коллегами и мной, предполагают, что это ключевая особенность, определяющая поведение одного из самых мощных объектов во Вселенной: квазара.
Квазары — это подкласс черных дыр, которые производят самую мощную энергию и струи.
Вы можете представить черную дыру как вращающуюся сферу, а аккреционный диск — как диск с отверстием в центре. Черная дыра находится в этом центральном отверстии и вращается в одном направлении, в то время как аккреционный диск вращается в другом.
Это контрвращение заставляет черную дыру замедляться, а затем снова ускоряться в другом направлении, что называется коротацией. Представьте себе баскетбольный мяч, который вращается в одном направлении, но вы продолжаете его толкать, чтобы вращать в другом. Толчки замедляют вращение баскетбольного мяча. Если вы продолжаете толкать в противоположном направлении, он в конечном итоге начнет вращаться в другом направлении. Аккреционный диск делает то же самое.
Поскольку струи используют вращательную энергию черной дыры, они мощные только тогда, когда черная дыра вращается быстро. Переход от контрвращения к коротации занимает как минимум 100 миллионов лет. Многие черные дыры, изначально контрвращающиеся, становятся быстро вращающимися черными дырами за миллиарды лет.
Таким образом, эти черные дыры будут производить мощные струи как в ранние, так и в поздние периоды своей жизни, с промежутком посередине, когда струи либо слабы, либо отсутствуют.
Когда черная дыра вращается в контрвращении относительно своего аккреционного диска, это движение создает сильные струи, которые сближают молекулы в окружающем газе, что приводит к образованию звезд.
Но позже, при коротации, струя наклоняется. Этот наклон делает так, что струя непосредственно воздействует на газ, нагревая его и подавляя образование звезд. Кроме того, струя также распыляет рентгеновские лучи по всей галактике. Космические рентгеновские лучи вредны для жизни, так как могут повредить органическую ткань.
Чтобы жизнь могла процветать, ей, вероятно, нужна планета с обитаемой экосистемой, а облака горячего газа, насыщенные рентгеновскими лучами, не содержат таких планет. Поэтому астрономы могут искать галактики без наклонной струи, исходящей от их черной дыры. Эта идея является ключом к пониманию того, где интеллект мог потенциально возникнуть и развиться во Вселенной.
К началу 2022 года я создал модель черной дыры, которую можно использовать в качестве ориентира. Она могла указывать на условия, в которых находятся черные дыры, способные производить наибольшее количество планет, не облучая их рентгеновскими лучами. Жизнь в таких условиях могла бы развиваться в полной мере.
Где же присутствуют такие условия? Ответ заключается в низкоплотных средах, где галактики сливались около 11 миллиардов лет назад.
В этих средах находились черные дыры, чьи мощные струи способствовали увеличению темпов звездообразования, но они никогда не испытывали наклонных струй при коротации. Короче говоря, моя модель предполагала, что теоретически наиболее продвинутая внеземная цивилизация, вероятно, возникла на космической сцене далеко и миллиарды лет назад.
