Сверхмассивные черные дыры можно найти в любом, даже самом дальнем уголке Вселенной – там, где никто не ожидает их увидеть. В отношении миниатюрного их аналога, черных дыр звездной массы, которых много в любой галактике – миниатюрной Вселенной – известен механизм их рождения. Достаточно лишь умереть очень тяжелой звезде. А подробности рождения черных дыр – гигантов толком не известны. Казалось бы, все просто – сверхмассивная дыра медленно растет, поглощая любую подвернувшуюся материю. Но все новые открытия дыр говорят о том, что с их рождением все не так просто.

В Млечном пути, например, масса сверхмассивной черной дыры составляет примерно 5 миллионов солнечных масс. В нашем соседе, гигантской галактике М87, масса дыры составляет уже 6 миллиардов солнечных. Горизонт событий этой дыры простирается на расстояние, в пять раз превышающее высоту орбиты Нептуна. Черная дыра есть в каждой галактике, и зачастую они соревнуются в грандиозности со всей своей галактикой. В квазарах, особенно активных галактиках, излучение черной дыры (на самом деле излучение материи ее аккреционного диска, падающей на дыру) затмевает излучение миллиардов звезд в центральной части галактики. Многие квазары отличаются не только мощным излучением, но еще и потоками частиц, имеющих скорость до 99% световой. Они свидетельствуют об активности дыры – нагревающийся при падении газ создает магнитные поля, ускоряющие частицы. Квазары растут отнюдь не медленно.

Первое, что можно точно определить в истории черных дыр – это время рождения первых представителей. Через несколько десятков миллионов лет после Большого взрыва родились первые звезды. К их услугам были практически только водород и гелий, и эти звезды все были гигантами в сотни солнечных масс. Жизнь такой звезды коротка, а результат смерти – черная дыра с массой около сотни солнечных. Дальнейшее кажется понятным – дыра постепенно набирает массу, тяжелеет, «падает» к центру галактики и становится сверхмассивной, а затем, возможно, квазаром. Вот только в 200 году был открыт квазар SDSS J1030+0524. Судя по мощи его излучения, масса черной дыры в центре должна превышать миллиард солнечных. Вот только квазар расположен так далеко, что мы видим его излучение, выпущенное всего через 900 миллионов лет после Большого взрыва.

Как дыра столь быстро набрала такую массу? Да и вообще, разве это возможно? Увеличиваясь, дыра начинает испускать все больше света и частиц. Они сдувают газ, который должен питать дыру, останавливая ее развитие. В результате дыра может удваивать свой размер в лучшем случае раз в 30 миллионов лет. По идее, у SDSS J1030+0524 было достаточно времени – ей надо было всего 700 миллионов лет, чтобы достичь оцененного размера. Однако трудно предположить, что эта дыра находилась в тепличных условиях постоянного и удобного притока материи. Наша дыра, к примеру, получает очень небольшую подпитку. Пока SDSS J1030+0524 был единственным далеким квазаром, можно было в это поверить. Но открытие все большего их числа показало, что должен быть более сложный механизм рождения и развития огромных черных дыр. Например, в прошлом году был открыт квазар ULAS J1120+0641 с массой в 2 миллиарда солнечных, но имеющий возраст всего 770 миллионов лет – практически на грани того, что позволяет классическая теория роста черных дыр. Сюда же можно добавить изменения в современном взгляде на первые звезды Вселенной. Все больше фактов указывает на то, что эти гиганты были несколько меньше, имея до 50 солнечных масс. При смерти они создавали черные дыры, превышающие Солнце массой всего в 10 раз – слишком мелкое зерно, из которого должна родиться сверхмассивная дыра.

Одно из возможных решений проблемы – рождение зародышей сверхмассивных черных дыр сразу из нескольких звезд. В молодой Вселенной звездообразование практически полностью происходило в плотных скоплениях. В центре такого скопления крупные звезды неизбежно сталкивались, превращаясь в гигантскую звезду с массой до тысяч солнечных. Как именно умирают подобные светила, неизвестно, но в любом случае после этого должна остаться дыра, на тот же порядок превышающая Солнце массой. Однако наблюдательных подтверждений этой гипотезы нет. Ведь и сейчас существуют достаточно плотные звездные скопления, чтобы в них происходили те же процессы. Есть несколько ярких источников рентгеновского излучения недалеко от Млечного пути, подходящих на роль гигантской звезды, но по мере их изучения они вписываются в другие классы объектов, обычно это оказываются крупные черные дыры звездной массы (до десятка солнечных). И потом, даже старт с тысячи солнечных масс потребует очень активное поглощение материи, чтобы объяснить наблюдение древних квазаров.

А может быть, крупная черная дыра может родиться, когда гравитация сжимает не одну звезду, а весь центр галактики? В молодых протоглактиках вращение, которое противодействует гравитации, могло быть в целом медленнее, чем сейчас. Одновременно молодое, неустойчивое ядро могло потерять часть газа, ушедшего на окраины галактики и унесшего с собой значительную часть кинетического момента. Замедлившийся центр после этого начинает сжиматься, образуя кокон дыры. В центре его находится сначала небольшая дыра, но она окружена плотным облаком газа размером в несколько сотен миллионов километров. В течение нескольких десятков миллионов лет из такого кокона может родиться черная дыра с миллионом солнечных масс. С таким запасом на старте быстро образовать яркий квазар уже несложно. Однако в плотном коконе должно начаться звездообразование, забирающее материал у дыры, и вспышки сверхновых гигантов, выбрасывающие материю из него. В любом случае, сценарий очень сложный и требует тщательного анализа – например, влияние близкой галактики может нарушить процесс, не дав родиться крупной дыре.

Возможно, дело не в начальном размере дыры, а во времени ее развития? Зерно будущей дыры могло появиться во время Большого взрыва, когда небольшие неравномерности распределения материи создали черные дыры солнечной массы уже через микросекунду после рождения Вселенной. А через 10 секунд после Взрыва, когда облако электронов и позитронов аннигилировало друг друга, могла родиться дыра в 100000 солнечных масс. К сожалению, в реликтовом излучении не найдено признаков таких изначальных черных дыр. Наконец, источником черных дыр могли служить не только обычные, но и темные звезды. Аннигиляция темной материи внутри такой звезды не создавала излучения, мешающего ей набирать массу. Смерть темной звезды могла породить не менее крупную дыру, чем случайные процессы через секунды после Большого взрыва.