Характеристика, виды и влияние космических черных дыр на зарождение жизни

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Основные положения

ь Сверхмассивные черные дыры, обладающие массой в несколько миллионов солнечных и расположенные в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь, -- не простые пожиратели вещества, как это принято считать. Они способны как излучать огромное количество энергии, так и пожирать вещество в своем ближайшем окружении.

ь Режим «кормления» черной дыры может оказывать неожиданное влияние на всю содержащую ее галактику в целом. Слишком сильная, как и слишком слабая активность черной дыры приводят к тому, что образование звезд, пригодных для формирования вблизи них систем с подходящими условиями для жизни, становится редким.

ь Наша галактика Млечный Путь содержит в своем центре такую черную дыру, которая благоприятствует процессу звездообразования.

ь Связь между черными дырами и возникновением жизни достаточно сложна, но черная дыра в нашей Галактике оказала очень большое влияние на возможность нашего существования.

2. Черная дыра

Вещество падает в черную дыру постепенно. Оно движется с огромными скоростями, приближаясь к горизонту событий, закручиваясь спиралью в гиперскоростные петли, если черная дыра вращается. Сгустки вещества взаимодействуют друг с другом, создается напряжение, достаточное для огромных выбросов кинетической энергии, преобразованной в движение атомных и субатомных частиц и электромагнитного излучения. Эти частицы формируются до достижения горизонта частиц и потому могут уходить обратно. Грубая аналогия такого процесса -- слив воды в раковине. Когда жидкость, вращаясь, приближается к стоку, ее кинетическая энергия частично преобразуется в звуковые волны, вода взаимодействует с молекулами воздуха. Звуковые волны движутся быстрее, чем вода, и потому уходят от стока. В случае черной дыры энергия, выбрасываемая во время процесса аккреции вещества, может производить различные эффекты в окружающей галактике.

Когда астрономы говорят о том, что вещество поглощается черной дырой, они подразумевают некоторые эпизодические события, «рабочий цикл», подобный вращению белья в стиральной машине. Черная дыра как бы пульсирует, она то поглощает вещество, то остается в покое. Так, черная дыра, расположенная в центре нашей Галактики, сейчас находится в спокойном состоянии, но она, подобно всем черным дырам, может «включаться» время от времени. Интересно понять взаимосвязь этих циклов с общим потоком вещества в нашей Галактике, а также влияние этой черной дыры на способность Солнечной системы поддерживать условия, пригодные для жизни людей.

3. Черная дыра в центре млечного пути

Ненасытное чудовище, сидящее в центре нашей Галактики, способно повлиять не только на пригодность Земли для жизни людей, но даже и на само существование нашей планеты.

Существование человечества в этом месте Вселенной, в микроскопическом уголке обжитого людьми космоса, скоротечно. С полнейшим пренебрежением к нашим желаниям и нуждам природа разыгрывает собственные грандиозные спектакли на таких необъятных масштабах пространства и времени, которые наш разум не может постичь. Быть может, все, что нам остается, -- это наблюдать за окружающим миром и, пользуясь своей способностью задавать бесконечные вопросы и отыскивать ответы, удивляться, почему мы очутились именно здесь и сейчас на эволюционном пути нашей Вселенной. Один из интереснейших вопросов -- насколько глубоко уникальность нашего существования связана с процессами звездообразования, с формированием галактик и черных дыр.

Большое количество космических феноменов могут потенциально влиять на существование жизни, но одни из них важнее других. Черные дыры принадлежат именно к более важным, благодаря своей уникальной природе. Нет других объектов во Вселенной, так же эффективно превращающих материю в энергию. Ничто во Вселенной не действует как гигантская вращающаяся электрическая батарея, способная выталкивать вещество со скоростью, близкой к световой, на десятки тысяч световых лет. Черные дыры способны захватывать в ловушку вещество, находящееся рядом, как никакой другой объект; они - своего рода «вселенские едоки». И будучи таковыми, они часто заглатывают вещество, не разжевывая, вместо того чтобы неспешно его дегустировать.

4. Циклы

Результат астрономических обзоров показал, что рабочий цикл черной дыры связан, как это ни удивительно, с динамикой звезд в галактике, в центральной области которой эта черная дыра расположена. Те же процессы, что отправляют вещество в черную дыру, таким образом, запуская ее рабочий цикл, влияют и на звезды, заполняющие галактику. Энергия, которая исходит от сияющей черной дыры в пике ее рабочего цикла, может, со своей стороны, обогащать звездное население галактики и способствовать новому звездообразованию. Такая взаимосвязь очень важна для понимания природы галактики. Звезды в галактике могут быть красноватыми, желтоватыми и голубоватыми. Голубые звезды обычно более массивны. Время их жизни невелико, их внутреннее топливо сгорает за несколько миллионов лет. Это означает, что если вы обнаруживаете голубую звезду на ночном небе, то вы видите молодую звездную систему и указания на скорое рождение и гибель звезды.

Астрономы заключили, что если оценить количество всего испущенного какой-нибудь галактикой света, то ее цвет окажется промежуточным между красноватым и голубоватым. Если галактика красная (находящаяся в «красной последовательности» на эволюционной диаграмме), то она, скорее всего эллиптическая, а голубая (находящаяся в «голубом облаке» на эволюционной диаграмме) -- спиральная. Между этими двумя цветами находится переходная область, когда система как целое становится более красной, ее молодые голубые звезды постепенно умирают. Без капли иронии некоторые астрономы называют этот период «зеленой долиной».

За прошедшие миллиарды лет существовали самые большие спиральные галактики на указанном этапе эволюции, которые обладали самыми длительными рабочими циклами находящихся в их центре черных дыр. «Зеленая долина» -- это дом для наиболее регулярно растущих гигантских черных дыр в современной Вселенной. Такие галактики весят 100 млрд. солнечных масс. Одна из десяти подобных галактик содержит черную дыру, активно поглощающую вещество, их рабочий цикл отличается регулярностью.

Связь физических механизмов, общих для галактик «зеленой долины», и активности черных дыр в их центрах остается загадочной. Это промежуточная зона в эволюционном пути галактик, и большинство наблюдаемых галактик находятся либо еще в голубом облаке, либо уже в красной последовательности. Звездная система, находящаяся на этапе «зеленой долины», претерпевает изменения. Известно, что сверхмассивные черные дыры могут быть значимы и в других ситуациях, например в галактических скоплениях или молодых больших галактиках. Быть может, их активность и ведет галактики в стадию «зеленой долины». Возможно, что те же обстоятельства, которые служат причиной изменения галактики, поставляют вещество в центральную черную дыру.

Изучая другие ближайшие к нам спиральные галактики, мы не находим в них следов того, что черные дыры откачивают большую часть энергии, которая влияла на эти системы на расстояниях в тысячи световых лет. В некоторых случаях мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от вещества, падающего на черную дыру, может создавать области активного истечения нагретого газа из системы. Эти потоки движутся через зоны звездообразования галактики подобно тому, как движется теплый атмосферный фронт над поверхностью Земли. Точный механизм того, как эти потоки влияют на звездообразование, неизвестен, но известно, что они обладают большой энергией. Захват крупной галактикой карликовой галактики побуждает вещество двигаться по направлению к черной дыре. Это подобно тому, как ворошат угли, чтобы раздуть костер. Собственная гравитация и давление поглощаемой карликовой галактики влияют на процесс звездообразования в большой галактике. Изучение таких процессов помогает хотя бы отчасти понять, почему активность сверхмассивных черных дыр коррелирует с возрастом (а следовательно, и с цветом) звезд вокруг нее.

Важно отметить, что недавно астрономы обнаружили, что наша Галактика как раз находится на эволюционной стадии «зеленой долины». Этот факт означает, что сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей Галактики, может обладать быстрым рабочим циклом, что неожиданно, поскольку она не выглядит активной согласно наблюдениям. Она проявляет себя только по характерным искривлениям орбит звезд в центральной области Галактики. И по этим данным можно оценить ее массу всего в 4 млн. солнечных. Согласно нашим предыдущим рассуждениям, эта черная дыра должна быть активной.

Среди всех мест во всех галактиках во всей Вселенной человечество выбрало для своего обитания именно такое место. Однако никто не мог знать заранее, что наша Галактика дала убежище прожорливой черной дыре. Впрочем, быть может, между такими объектами и возникновением жизни есть взаимосвязь.

Действительно, оказывается что ситуация кардинально изменилась совсем недавно. Мы наблюдаем рентгеновское излучение, исходящее от межзвездных облаков газа, которые расположены на расстоянии 300 световых лет от галактического центра. Это означает, что вблизи галактического центра 300 лет назад было выброшено рентгеновское излучение в миллион раз больше, чем сейчас. В 2010 г. небольшая группа из Гарвардского университета объявила о том, что тусклая, но обширная область, видимая в гамма-излучении, движется из внутренних областей галактики. Она рассредоточена по пространству и имеет вид пары пузырей, каждый размером около 25 тыс. световых лет. Подсвеченные фотонами гамма-излучения, эти пузыри могут быть результатом активности центральной черной дыры, произошедшей 100 тыс. лет назад.

Если Млечный Путь подчиняется тем же законам, что и наблюдаемые нами десятки тысяч галактик, то наша галактика должна содержать регулярную в смысле своей активности черную дыру, пусть она даже и не самую большую и прожорливую. И в любой момент мы можем ожидать вспышки ее гравитационной активности.

5. Формирование галактики

Несомненно, наша галактика Млечный Путь и сверхмассивная черная дыра в ее центре -- особенные, потому что именно в нашей Галактике зародилась разумная жизнь. Это то, что ученые и философы называют антропным принципом. Слово «антропный» - греческого происхождения, оно означает принадлежность к человеку, к его деятельности. Антропный принцип задается вопросом, специально ли Вселенная устроена таким образом, чтобы в ней смогла зародиться жизнь. Так, если только несколько фундаментальных законов физики (или физических констант) были бы хоть немного иными, то жизнь не смогла бы образоваться. Мы не знаем, почему физические параметры именно такие, какие они есть. Возникает вопрос: почему наша Вселенная приспособлена к возникновению жизни? Разве это не невероятная случайность?

Подобно многим ученым, автор этой статьи не удовольствовался такой постановкой вопроса. Надо попытаться окончательно преодолеть старое заблуждение о том, что мы -- в некотором смысле «центр всего». Подобно тому, как когда-то Коперник провозгласил, что мы не представляем собою центра нашей Солнечной системы, мы и не центр Вселенной. Более того, согласно современной космологической модели, Вселенная вообще не имеет центра. Однако на некоторые вопросы, задаваемые исходя из антропного принципа, ответить по-прежнему трудно. Вопрос о нашей исключительности может быть решен в рамках концепции множественности миров или множественности реальностей. Например, если наша Вселенная - одна из очень многих в многомерном пространстве, то нет ничего удивительного в нашем существовании: просто мы существуем в том мире, в котором один из наборов условий этому способствует. Это как остров с подходящим климатом.

Подобные рассуждения заставляют нас задуматься: а каковы вообще должны быть условия во Вселенной, чтобы в ней смогла зародиться жизнь? Наличие сверхмассивной дыры в центре нашей Галактики наводит на мысль о связи Солнечной системы и циклической активности этого объекта. Действительно, первый приходящий в голову вопрос -- испытала ли Солнечная система влияние черной дыры примерно 25 тыс. лет назад?

Могло ли влияние черной дыры повлиять на развитие жизни? Когда черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, находится в «рабочем состоянии», поглощая и выталкивая вещество, то все эти процессы не предполагают, что черная дыра будет казаться нам невообразимо яркой. Огромные области, излучающие в гамма-диапазоне, свидетельствуют об энергетической активности центральных областей нашей Галактики, но не напрямую относительно Солнечной системы. События в центре Галактики, которые могут оказать на нас влияние, должны были произойти в далеком прошлом -- быть может, даже раньше, чем образовалась наша Солнечная система (около 4,5 млрд. лет назад). Таким образом, наш «центральный монстр» может оказывать преимущественно только очень слабое воздействие на Солнечную систему и другие подобные ей периферийные области нашей Галактики.

С точки зрения существования жизни это хорошие новости, потому что в противном случае планеты, подобные Земле, могли бы оказаться задетыми в случае резкого роста окружающего межзвездного излучения в форме быстро движущихся частиц и фотонов высоких энергий. Излучение могло бы быть вредным не только для органических молекул и составленных из них сложных организмов, но даже и для химического состава атмосферы и океанических вод. Если бы мы жили ближе к центру нашей Галактики, то подобная опасность стала бы для нас гораздо реальнее. И тот факт, что мы обитаем именно на периферии, может оказаться не случайным. Может оказаться также не случайным и то, что мы живем именно в этот период развития нашей Галактики.

Наша Галактика, подобно многим другим, эволюционирует совместно со своей центральной сверхмассивной черной дырой. Более того, мы можем изучать, как именно черная дыра влияет на жизнь в Солнечной системе, а также какова роль этого объекта как индикатора текущего эволюционного состояния нашей Галактики. Наблюдаемая астрономами связь между сверхмассивными черными дырами и их галактиками, находящимися на различных этапах своего развития, дает нам хороший статистический материал для представления об эволюции единичной галактики.

Активные квазары ранней Вселенной, расположенные в центрах огромных эллиптических галактик, часто располагаются в системе галактических кластеров. Сейчас звезды в таких галактиках стары и в них мало межзвездного газа для запуска механизмов звездообразования.

6. Эффекты черной дыры дальнего радиуса действия

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь существует, но представляет собой пылинку (хотя и довольно увесистую -- в 4 млн. солнечных масс) относительно размеров всей Галактики. В 2010 г. исследователи обнаружили пару «пузырей», испускающих гамма-излучение, каждый на расстоянии около 25 млн. световых лет от галактического центра, где находится черная дыра. Эти «пузыри» могут быть следами активных процессов вблизи черной дыры в относительно недалеком прошлом -- в процессе поглощения черной дырой вещества часть последнего не попала в нее, но была отброшена в виде потоков заряженных частиц и излучения, обладающего высокой энергией. К счастью, по всей видимости, этот страшный катаклизм не был направлен непосредственно в сторону Солнечной системы.

Другие эллиптические галактики сформировались позднее, при процессах объединения галактик. Звездообразование в них постепенно угасло, и сверхмассивные черные дыры могли служить регуляторами этого процесса. В эволюции спиральных галактик тоже прослеживается связь с центральным массивным телом. В обоих случаях масса центральной черной дыры составляет примерно 0,0001 от массы окружающих ее звезд. Наш спутник галактика Андромеда - одна из таких систем, и ее балдж скрывает в своем центре черную дыру в 20 раз большую, чем наша.

Центральные черные дыры в галактиках, не обладающих балджем, как многие спиральные, еще меньше. Так, хотя наша Галактика и очень велика, одна из самых больших в наблюдаемой Вселенной, ее центральная черная дыра совсем небольшая. Отсутствие во многих галактиках объемлющего звездного балджа -- загадка для астрономов. Либо галактика каким-то образом потеряла свое вещество, либо черная дыра никогда не была активна по-настоящему, либо небольшие галактики и облака вещества падали в данную систему. Невероятно большое количество карликовых галактик, можно сказать, попадают в «отдел черных дыр». Дело в том, что настоящие карликовые галактики во всем многообразии галактик представляют собой довольно жалкое зрелище. Они часто состоят всего из нескольких десятков миллионов звезд или выказывают присутствие газа или пыли, из которых позже образуются звезды. Таким образом, они очень тусклы, как будто кто-то забыл включить свет в месте их расположения.

Наша Галактика все еще производит звезды со скоростью примерно три солнечные массы в год. По шкале продолжительности одной человеческой жизни это совсем не много, но если рассуждать обо всем периоде эволюции человека, то за это время родилось по крайней мере 10 млн. новых звезд. Это весьма немало для Вселенной, возраст которой порядка 14 млрд. лет. Гигантские галактики в молодой Вселенной с пылающими ядрами-квазарами в их центрах в каком-то смысле давно сгорели. Выбросы энергии из их центральных областей препятствуют возникновению новых звезд, так же как и охлаждению вещества для образования звездных систем. Но наша Галактика все еще движется по своему эволюционному пути.

7. Условия зарождения жизни

Мы живем в большой спиральной галактике с небольшим балджем и небольшой черной дырой в центре.

Быть может, это и есть условия, наиболее благоприятствующие жизни, поскольку не расходовалась энергия на «строительство» огромной черной дыры и на борьбу с последствиями ее жизнедеятельности. В галактиках, подобных нашей, продолжают формироваться новые звезды, но с различными энергетическими характеристиками. Большинство новых звезд возникают в ветвях спиральных рукавов, в ударных волнах газа и пыли. Звезды также формируются и вдали от галактического центра. По мнению астрономов, мы живем в области слабого звездообразования. Образование очень активных звезд сильно «загрязняет» окружающее пространство. Массивные звезды быстро сгорают за счет своего ядерного топлива, порождая гигантские вспышки сверхновых. Планетарные атмосферы могут оказаться просто оторванными или насыщенными радиацией. Быстро движущиеся частицы высоких энергий и гамма-лучи могут основательно испортить атмосферу планеты. Даже излучение незримых нейтрино, образующихся в результате коллапсов звезд, достаточно интенсивно для того, чтобы нарушить биологический баланс на планете. Немного ближе к сверхновой -- и планетная система просто перестанет существовать.

В недрах звезд рождаются тяжелые элементы, которые распространяются повсюду и служат рождению других звезд и планетных систем. Это планеты, состоящие из сложной химической смеси углеводородов и воды, многослойных и динамически развивающихся за счет содержащихся в них радиоактивных изотопов, обладающих предысторией в миллиарды лет. Таким образом, в благоприятной среде, где-то между областями формирования и взрыва новых звезд и местами затухания и гибели старых звезд и находятся звезды, подобные нашему Солнцу и обладающие планетными системами. Это достаточно далеко от галактического центра, но и не близко к областям активного звездообразования.

Большая часть выброшенной энергии, образовавшейся в результате аккреции вещества на черную дыру, будет подавлять процессы звездообразования в Галактике. Без такого регулирующего оттока энергии Галактика оказалась бы переполненной молодыми и взрывающимися звездами. Гиперактивная черная дыра в противоположность предыдущей ситуации, может сильно затормозить процесс звездообразования, лишив межзвездное окружение тяжелых элементов (железа, кремния, кислорода), необходимых для дальнейшей эволюции звезд и образования планет. Существующая в центре нашей Галактики черная дыра не слишком больших размеров позволяет поддерживать баланс между указанными двумя крайностями (рис. в центре).

Связь феномена жизни с параметрами сверхмассивной черной дыры оказывается довольно простой. В галактиках, содержащих сверхмассивные черные дыры средних размеров и регулярной динамики, с большей вероятностью образуются умеренные и спокойные области, чем в галактиках, содержащих гигантские сверхмассивные черные дыры. Тот факт, что на космологических интервалах времени во Вселенной существуют какие-либо галактики, подобные нашему Млечному Пути, сильно связан с двумя противоположными процессами: гравитационной агломерацией вещества и выделением разрушительной энергии в процессе аккреции вещества на центральную сверхмассивную черную дыру.

Если активность черной дыры будет слишком большой, то замедлится процесс звездообразования, следовательно, процесс образования тяжелых элементов постигнет такая же участь. Если, напротив, активность черной дыры будет слишком малой, то все окружение будет переполнено молодыми и взрывающимися звездами, тоже малопригодными для формирования долгоживущих тяжелых элементов. Таким образом, изменение описанного баланса сильно влияет на дальнейшую эволюцию звезд в галактике.

Вся цепь событий, ведущая в конечном итоге к зарождению жизни и человечества, была бы иной или ее даже и вовсе бы могло не быть без совместной эволюции галактик со сверхмассивными черными дырами и их точнейшим регулированием. Общее количество звезд во Вселенной может быть разным. Количество маломассивных и сверхмассивных звезд тоже может быть различным, как и формы галактик. Кроме того, могут различаться расположение газа, пыли, химические элементы. Там будут места, никогда не опаляемые интенсивным синхротронным излучением сверхмассивной черной дыры. Там будут другие области, в которых никогда не зародились бы ни звезды, ни планеты. Наш плодородный уголок космоса регулируется всеми процессами, что когда-либо происходили в его окрестностях, а также поведением центральной сверхмассивной черной дыры. Мы очень многим им обязаны».

Литература

космический галактика спиральный сверхмассивный

1. Астрономия: век XXI/ Ред. - сост. В.Г. Сурдин. - Фрязино: «Век 2», 2007. - 608с.

2. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464с.

3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование, 2007. - 335с.

4. Игнатова В.А. Естествознание: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 254с.

5. Калеб Шарф, «В мире науки».

Размещено на Allbest.ru