Космические беглецы: Охота на невидимые черные дыры, несущиеся по Вселенной

В прошлом году астрономы были очарованы кометой-беглянкой, проходящей через нашу Солнечную систему откуда-то из далекого космоса. Она двигалась со скоростью около 68 километров в секунду, что лишь немногим более чем в два раза превышает скорость движения Земли вокруг Солнца.

Представьте, если бы это было нечто гораздо более массивное и быстрое: черная дыра, несущаяся со скоростью, скажем, 3000 км в секунду. Мы бы не увидели ее приближения до тех пор, пока ее чудовищная гравитация не начала бы возмущать орбиты внешних планет.

Возможно, это звучит немного абсурдно, но за последний год сразу несколько линий доказательств сошлись воедино, показывая, что такой визит — не невозможен. Астрономы наблюдали явные признаки сверхмассивных черных дыр-беглянок, разрывающих другие галактики, и нашли свидетельства того, что меньшие, невидимые странники, скорее всего, тоже существуют.

Черные дыры-беглянки: теория

История начинается в 1960-х годах, когда новозеландский математик Рой Керр нашел решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, описывающее вращающиеся черные дыры. Это привело к двум ключевым открытиям о черных дырах.

Первое — «теорема об отсутствии волос», которая гласит, что черные дыры различаются только по трем параметрам: массе, спину (моменту вращения) и электрическому заряду.

Для понимания второго нам нужно вспомнить знаменитую формулу Эйнштейна E = mc², которая говорит о том, что энергия обладает массой. В случае с черной дырой решение Керра показывает, что до 29% ее массы может быть заключено в форме энергии вращения.

Английский физик Роджер Пенроуз еще 50 лет назад предположил, что эту энергию вращения черных дыр можно высвободить. Вращающаяся черная дыра подобна батарее, способной выделять колоссальные объемы энергии вращения.

Черная дыра может содержать примерно в 100 раз больше извлекаемой энергии, чем звезда той же массы. Если две черные дыры сливаются в одну, огромная часть этой энергии может высвободиться всего за несколько секунд.

Потребовались два десятилетия кропотливых суперкомпьютерных расчетов, чтобы понять, что происходит при столкновении и слиянии двух вращающихся черных дыр, порождающем гравитационные волны. В зависимости от того, как именно вращаются дыры, энергия гравитационных волн может высвобождаться в одном направлении гораздо сильнее, чем в других, — это запускает новую черную дыру, словно ракету, в противоположную сторону.

Если спины сталкивающихся дыр совмещены нужным образом, финальная черная дыра может получить реактивный импульс, разгоняющий ее до скоростей в тысячи километров в секунду.

Учимся у реальных черных дыр

Все это было теорией, пока в 2015 году обсерватории гравитационных волн LIGO и Virgo не начали регистрировать «всплески» и «чириканье» гравитационных волн, испускаемых парами сталкивающихся черных дыр.

Одним из самых захватывающих открытий стало обнаружение «послесвечения» (ringdowns) черных дыр — своего рода звучания камертона новорожденных черных дыр, которое рассказывает нам об их спине. Чем быстрее они вращаются, тем дольше звучит этот «звон».

Всё более точные наблюдения за сливающимися черными дырами показали, что у некоторых пар оси вращения ориентированы хаотично, и многие из них обладают огромной энергией вращения.

Всё это указывало на то, что существование черных дыр-беглянок — реальная возможность. Двигаясь со скоростью в 1% от скорости света, их траектории в космосе не следовали бы искривленным орбитам звезд в галактиках, а были бы почти прямыми.

Беглянки в дикой природе: первые снимки

Это подводит нас к финальному шагу: непосредственному обнаружению черных дыр-беглянок.

Искать сравнительно небольшие черные дыры-беглянки трудно. Но беглянка массой в миллион или миллиард солнечных масс, путешествуя сквозь галактику, вызовет колоссальные возмущения звезд и газа вокруг себя.

Согласно теориям, они должны оставлять за собой звездный след — подобно тому, как инверсионный след тянется за реактивным самолетом. Эти звезды формируются из сжимающегося межзвездного газа и пыли, притягиваемых проходящей черной дырой. Этот процесс может длиться десятки миллионов лет, пока беглянка пересекает галактику.

В 2025 году в нескольких научных статьях были опубликованы изображения удивительно прямых звездных полос внутри галактик, подобных той, что на снимке ниже. Они выглядят как убедительное доказательство существования черных дыр-беглянок.

Одна статья под руководством астронома из Йеля Питара ван Доккума описывает очень далекую галактику, сфотографированную телескопом Джеймса Уэбба, с неожиданно ярким следом длиной в 200 000 световых лет. Этот след демонстрирует эффекты давления, ожидаемые от гравитационного сжатия газа при прохождении черной дыры. В данном случае характеристики указывают на черную дыру с массой в 10 миллионов масс Солнца, движущуюся со скоростью почти 1000 км/с.

В другой работе описывается длинный прямой след, пересекающий галактику NGC 3627. Вероятно, он оставлен черной дырой с массой около 2 миллионов масс Солнца, летящей со скоростью 300 км/с. Протяженность ее следа — около 25 000 световых лет.

Если существуют такие сверхмассивные беглянки, то должны существовать и их меньшие собратья, поскольку наблюдения гравитационных волн показывают, что часть двойных систем сливается с противоположными спинами, необходимыми для создания мощного «удара». Их скорости вполне достаточны, чтобы преодолевать межгалактические расстояния.

Таким образом, черные дыры-беглянки, пронзающие галактики и пространство между ними, — это новый ингредиент нашей удивительной Вселенной. И не невозможно, что одна из них может оказаться в нашей Солнечной системе с потенциально катастрофическими последствиями.

Но нам не стоит терять сон из-за этого открытия. Вероятность такого события ничтожно мала. Это просто еще одна причина, по которой история нашей Вселенной становится чуть богаче и чуть захватывающей, чем прежде.