Как астрофизик, я потратил два десятилетия на моделирование того, как черные дыры вращаются, как это создает джеты и как они влияют на окружающее их пространство.

Что такое черные дыры?

Черные дыры — это массивные астрофизические объекты, которые с помощью гравитации втягивают в себя окружающие предметы. Активные черные дыры имеют вокруг себя блинообразную структуру, называемую аккреционным диском, который содержит горячий, электрически заряженный газ.

Плазма, из которой состоит аккреционный диск, поступает из дальних частей галактики. Когда две галактики сталкиваются и сливаются, газ попадает в центральную область слияния. Часть этого газа оказывается рядом с новой слившейся черной дырой и образует аккреционный диск.

В центре каждой массивной галактики находится одна сверхмассивная черная дыра.

Черные дыры и их диски могут вращаться, и когда они вращаются, то увлекают за собой пространство и время — концепция, которая поражает воображение и очень сложна для понимания. Но черные дыры важно изучать, потому что они производят огромное количество энергии, которая может влиять на галактики.

Энергия черной дыры зависит от различных факторов, таких как масса черной дыры, ее быстрое вращение и падение на нее большого количества вещества. Слияния подпитывают самые энергичные черные дыры, но не все черные дыры питаются газом от слияния. Например, в спиральных галактиках в центр попадает меньше газа, и центральная черная дыра обладает меньшей энергией.

Один из способов получения энергии — это так называемые»струи» высокоэнергетических частиц. Черная дыра может притягивать к себе магнитные поля и окружающие ее энергичные частицы, а затем, когда черная дыра вращается, магнитные поля закручиваются в струю, которая выплескивает высокоэнергетические частицы.

Магнитные поля закручиваются вокруг черной дыры при ее вращении, чтобы накопить энергию — это похоже на то, как вы тянете и скручиваете резинку. Когда вы отпускаете резинку, она разжимается. Точно так же магнитные поля высвобождают свою энергию, создавая эти струи.

Эти струи могут ускорять или подавлять образование звезд в галактике, в зависимости от того, как энергия высвобождается в галактике-хозяине черной дыры.

Вращающиеся черные дыры

Некоторые черные дыры, однако, вращаются в другом направлении, чем окружающий их аккреционный диск. Это явление называется контрвращением, и некоторые исследования, проведенные мной и моими коллегами, позволяют предположить, что оно является ключевой особенностью, определяющей поведение одного из самых мощных видов объектов во Вселенной — радиоквазара.

Радиоквазары — это подкласс черных дыр, которые производят самую мощную энергию и струи.

Вы можете представить черную дыру в виде вращающейся сферы, а аккреционный диск — в виде диска с отверстием в центре. Черная дыра находится в этом центральном отверстии и вращается в одну сторону, а аккреционный диск — в другую.

Это противовращение заставляет черную дыру вращаться вниз и в конце концов снова подниматься в другую сторону, что называется коротацией. Представьте себе баскетбольный мяч, который вращается в одну сторону, но вы продолжаете постукивать по нему, чтобы он вращался в другую. При постукивании баскетбольный мяч будет вращаться вниз. Если вы продолжите постукивать в противоположном направлении, он в конце концов раскрутится и будет вращаться в другую сторону. Аккреционный диск делает то же самое.

Поскольку джеты используют энергию вращения черной дыры, они становятся мощными только тогда, когда черная дыра быстро вращается. Переход от противовращения к коротации занимает не менее 100 миллионов лет. Многим изначально противовращающимся черным дырам требуются миллиарды лет, чтобы превратиться в быстро вращающиеся коротирующие черные дыры.

Таким образом, эти черные дыры будут производить мощные струи как в начале, так и в конце своего жизненного цикла, с промежутком в середине, когда струи либо слабы, либо отсутствуют.

Когда черная дыра вращается в противофазе по отношению к своему аккреционному диску, это движение порождает сильные струи, которые сталкивают молекулы окружающего газа, что приводит к образованию звезд.

Но позже, при коротации, струя наклоняется. Этот наклон приводит к тому, что струя воздействует непосредственно на газ, нагревая его и препятствуя звездообразованию. Кроме того, струя распыляет рентгеновское излучение по всей галактике. Космические рентгеновские лучи вредны для жизни, потому что они могут повредить органические ткани.

Чтобы жизнь процветала, ей, скорее всего, нужна планета с пригодной для жизни экосистемой, а облака горячего газа, насыщенные рентгеновским излучением, таких планет не содержат. Поэтому астрономы могут искать галактики без наклонной струи, исходящей из черной дыры. Эта идея — ключ к пониманию того, где во Вселенной мог потенциально возникнуть и развиться интеллект.

Черные дыры как путеводитель

К началу 2022 года я построил модель черных дыр, которую можно было использовать в качестве путеводителя. Она могла бы указывать на среды с нужным типом черных дыр, способных породить наибольшее количество планет, не распыляя на них рентгеновское излучение. В таких условиях жизнь могла бы проявиться в полной мере.

Где же существуют такие условия? Ответ — в средах с низкой плотностью, где галактики слились около 11 миллиардов лет назад.

В этих средах были черные дыры, чьи мощные джеты увеличивали скорость звездообразования, но они никогда не испытывали наклонных джетов при коротации. Короче говоря, моя модель предполагает, что теоретически самая развитая внеземная цивилизация, скорее всего, появилась бы на космической сцене далеко и миллиарды лет назад.

Используя модель, астрономы могут целенаправленно искать определенные типы галактик с черными дырами, которые, вероятно, создали благоприятные условия для развития жизни миллиарды лет назад. Это значительно сужает область поиска потенциально обитаемых миров, концентрируясь на галактиках, переживших слияния давным-давно и обладающих черными дырами, чьи струи способствовали звездообразованию, но не испускали вредное рентгеновское излучение.

Существование внеземной жизни остается гипотетическим, но подобный подход предлагает научно обоснованный способ поиска миров, на которых она могла бы развиться. Изучение черных дыр и их воздействия на окружающую среду открывает новые перспективы в понимании условий, необходимых для возникновения и поддержания жизни во Вселенной.

Несмотря на то, что самые развитые цивилизации могли появиться миллиарды лет назад, это не исключает возможности существования жизни на других планетах в настоящее время. Однако, данная модель позволяет взглянуть на то, где вероятнее всего искать наиболее развитые формы жизни.