Чорні діри підказують, де шукати життя у Всесвіті: дослідження

Одними з найпотужніших об'єктів у Всесвіті є радіоквазари — надмасивні чорні діри, що обертаються та викидають струмені високоенергетичних частинок, так звані джети. Наближення до такого об'єкта було б фатальним: вас або затягнуло б всередину потужною гравітацією, або спалило б інтенсивним випромінюванням навколишньої плазми. Проте, як не парадоксально, вивчення саме цих космічних монстрів та їхніх джетів може надати дослідникам ключі до розуміння того, де у безмежному Всесвіті могли б існувати потенційно населені світи.

Як астрофізик, Девід Гарофало з Університету Кеннесо (штат Джорджія, США), присвятив два десятиліття моделюванню обертання чорних дір, механізмів утворення джетів та їхнього впливу на навколишнє космічне середовище. Його дослідження, опубліковане через платформу The Conversation, пропонує новий погляд на те, як ці екстремальні об'єкти можуть скеровувати пошуки життя за межами Землі.

Чорні діри — це масивні астрофізичні об'єкти з настільки сильною гравітацією, що вона втягує будь-яку матерію та випромінювання, що наближаються надто близько. Активні чорні діри оточені структурою, схожою на плаский диск, що називається акреційним диском. Він складається з гарячого, електрично зарядженого газу (плазми). Ця плазма надходить із більш віддалених регіонів галактики. Зокрема, коли дві галактики стикаються і зливаються, газ спрямовується до центральної області цього злиття. Частина цього газу опиняється близько до новоутвореної, об'єднаної чорної діри і формує акреційний диск. Вважається, що в центрі кожної масивної галактики існує одна надмасивна чорна діра.

Чорні діри та їхні диски можуть обертатися. Коли вони це роблять, вони буквально «затягують» простір і час за собою — концепція, яку важко осягнути інтуїтивно, але яка є наслідком загальної теорії відносності Ейнштейна. Вивчення чорних дір є надзвичайно важливим, оскільки вони виробляють величезну кількість енергії, здатної впливати на еволюцію цілих галактик.

Наскільки енергетично активною є чорна діра, залежить від кількох факторів: її маси, швидкості обертання та інтенсивності падіння на неї речовини. Найбільш енергетичні чорні діри «живляться» газом, що надходить внаслідок злиття галактик. Однак не всі чорні діри отримують матеріал таким чином. Наприклад, у спіральних галактиках (як наш Чумацький Шлях) до центру зазвичай потрапляє менше газу, і центральна чорна діра, як правило, менш енергетично активна.

Одним із способів вивільнення енергії чорною дірою є формування вже згаданих «джетів» — вузьких струменів високоенергетичних частинок, що викидаються з полюсів об'єкта зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Чорна діра може захоплювати магнітні поля та частинки з навколишнього середовища. Коли чорна діра обертається, ці магнітні поля закручуються у потужну структуру, подібну до торнадо, яка й формує джет, що вистрілює частинки в космос. Магнітні поля, закручуючись навколо чорної діри, що обертається, накопичують енергію — це можна порівняти з тим, як ви натягуєте і скручуєте гумову стрічку. Коли ви її відпускаєте, вона різко розпрямляється. Подібним чином магнітні поля вивільняють свою енергію, створюючи джети.

Ці джети можуть суттєво впливати на процеси зореутворення в галактиці-господарі. Залежно від того, як енергія джета взаємодіє з міжзоряним газом, вони можуть або стимулювати формування нових зірок (стискаючи газові хмари), або, навпаки, пригнічувати його (розігріваючи газ і не даючи йому сконденсуватися в зорі).

Особливо цікавим є випадок, коли чорна діра обертається в напрямку, протилежному до напрямку обертання її акреційного диска. Це явище називається контрротацією. Дослідження, проведені Гарофало та його колегами, свідчать, що саме контрротація є ключовою особливістю, яка визначає поведінку одного з найпотужніших типів об'єктів у Всесвіті — радіоквазарів. Радіоквазари — це підклас активних чорних дір, що виробляють найпотужніші джети та випромінювання.

Можна уявити чорну діру як кулю, що обертається, а акреційний диск — як диск з отвором посередині. Чорна діра сидить у цьому центральному отворі і обертається в один бік, тоді як акреційний диск обертається в інший. Ця контрротація змушує чорну діру сповільнювати своє обертання і, врешті-решт, почати обертатися в протилежному напрямку, синхронно з диском — це називається коротацією. Уявіть баскетбольний м'яч, що обертається в один бік, але ви постійно легенько підштовхуєте його, щоб він обертався в інший. Ці підштовхування сповільнять обертання м'яча. Якщо продовжувати підштовхувати його в протилежному напрямку, він зрештою почне обертатися в інший бік. Акреційний диск діє подібним чином на чорну діру.

Оскільки джети черпають енергію з обертання чорної діри, вони є потужними лише тоді, коли чорна діра обертається швидко. Перехід від контрротації до коротації займає щонайменше 100 мільйонів років, а для багатьох чорних дір, що починали з контрротації, цей процес може тривати мільярди років. Таким чином, ці чорні діри виробляють потужні джети на початку свого «життя» (під час контрротації) та значно пізніше (після досягнення швидкої коротації), з проміжним періодом, коли джети слабкі або взагалі відсутні.

Коли чорна діра обертається в режимі контрротації відносно свого акреційного диска, її потужні, відносно стабільні джети стискають молекули в навколишньому газі, що сприяє формуванню зірок. Це створює сприятливі умови для появи планет навколо цих нових зірок.

Однак пізніше, коли система переходить у режим коротації, орієнтація джета змінюється — він стає нахиленим відносно осі обертання диска. Цей нахил призводить до того, що джет безпосередньо «вдаряє» по газу в галактиці, розігріваючи його та пригнічуючи подальше зореутворення. Крім того, такий нахилений джет розсіює по галактиці значну кількість рентгенівського випромінювання. Космічні рентгенівські промені є згубними для життя, оскільки можуть пошкоджувати органічні тканини та ДНК.

Для процвітання життя, найімовірніше, потрібна планета зі стабільною, придатною для життя екосистемою. Хмари гарячого газу, насичені рентгенівським випромінюванням, не є місцем, де варто шукати такі планети. Натомість, астрономи можуть шукати галактики, де центральна чорна діра не має нахиленого джета, тобто, ймовірно, перебуває у фазі контрротації або спокійного обертання. Ця ідея є ключовою для розуміння того, де у Всесвіті міг виникнути та розвинутися розум.

До початку 2022 року професор Гарофало розробив модель чорної діри, яку можна використовувати як своєрідний дороговказ. Вона вказує на середовища з «правильним» типом чорних дір — тими, що сприяли утворенню найбільшої кількості планет, не опромінюючи їх згубними рентгенівськими променями. Життя в таких середовищах могло б розкрити свій потенціал повною мірою.

Вивчення чорних дір та їхньої ролі у зореутворенні може допомогти вченим передбачити, коли і де життя мало найбільші шанси виникнути. Де ж існують такі умови? Відповідь, згідно з моделлю Гарофало, лежить у середовищах з низькою щільністю, де галактики зазнали злиття приблизно 11 мільярдів років тому. У таких середовищах чорні діри мали потужні джети, що посилювали темпи зореутворення, але ніколи не проходили через фазу руйнівних нахилених джетів у режимі коротації. Коротко кажучи, модель Гарофало припускає, що теоретично, найрозвиненіша позаземна цивілізація, найімовірніше, з'явилася на космічній сцені дуже далеко від нас і мільярди років тому. Таким чином, ці космічні гіганти, чорні діри, можуть стати несподіваними провідниками у нашому пошуку відповіді на одне з найглибших питань: чи самотні ми у Всесвіті?