Как излучение черных дыр может оказывать благотворное влияние на жизнь

Художественное представление сверхмассивных черных дыр. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani

В центре большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь, находится сверхмассивная черная дыра. Межзвездный газ периодически попадает на орбиту этих бездонных ям, переключая черную дыру в режим активного галактического ядра (AGN), выбрасывая высокоэнергетическое излучение по всей галактике.

Это не та среда, в которой можно было бы ожидать процветания растений или животных. Но в удивительном недавнем исследовании в The Astrophysical Journal исследователи из Дартмута и Эксетерского университета показывают, что излучение AGN может оказывать парадоксальное питательное воздействие на жизнь. Вместо того чтобы обречь вид на забвение, оно может помочь обеспечить его успех.

Исследование может быть первым, которое конкретно измерит с помощью компьютерного моделирования, как ультрафиолетовое излучение AGN может преобразовать атмосферу планеты, чтобы помочь или помешать жизни. В соответствии с исследованиями, изучающими эффекты солнечной радиации, исследователи обнаружили, что польза — или вред — зависит от того, насколько близко планета находится к источнику радиации, и закрепилась ли уже жизнь.

«Как только жизнь существует и насыщает атмосферу кислородом, радиация становится менее разрушительной и, возможно, даже полезной», — говорит Кендалл Сиппи, ведущий автор исследования. «Как только этот мост преодолен, планета становится более устойчивой к ультрафиолетовому излучению и защищенной от потенциальных событий вымирания».

Исследователи смоделировали воздействие излучения AGN не только на Землю, но и на планеты земного типа с различным составом атмосферы. Они обнаружили, что если кислород уже присутствует, излучение запускает химические реакции, вызывая рост защитного озонового слоя планеты. Чем больше в атмосфере кислорода, тем сильнее эффект.

Излучение солнца помогло молодой жизни на Земле насытить атмосферу кислородом и озоном. По мере того, как защитный озоновый слой нашей планеты становился толще, жизнь процветала, производя больше кислорода и еще больше озона. Согласно гипотезе Геи, эти полезные циклы обратной связи позволили возникнуть сложной жизни.

«Если жизнь может быстро насыщать атмосферу планеты кислородом, озон может помочь регулировать атмосферу, чтобы создать условия, необходимые для роста жизни», — говорит соавтор исследования Джейк Игер-Нэш, который в настоящее время является постдокторантом в Университете Виктории. «Без механизма обратной связи, регулирующего климат, жизнь может быстро вымереть».

Земля в реальной жизни не находится достаточно близко к своей резидентной черной дыре, Стрельцу А, чтобы чувствовать ее воздействие, даже в режиме AGN. Но исследователи хотели посмотреть, что могло бы произойти, если бы Земля находилась намного ближе к гипотетическому AGN и, таким образом, подвергалась бы радиации в миллиарды раз больше.

Воссоздав бескислородную атмосферу Земли в архее, они обнаружили, что радиация практически исключала возможность развития жизни. Но по мере повышения уровня кислорода, приближаясь к современному, озоновый слой Земли рос и защищал землю от опасной радиации.

«При современном уровне кислорода это заняло бы несколько дней, что, как мы надеемся, означало бы, что жизнь могла бы выжить», — говорит Игер-Нэш. «Мы были удивлены тем, как быстро отреагировали уровни озона».

Когда они посмотрели на то, что может произойти на планете земного типа в более старой галактике, где звезды сгруппированы ближе к ее AGN, они обнаружили совершенно иную картину. В галактике типа «реликт красного самородка», такой как NGC 1277, последствия были бы смертельными. Звезды в более массивных галактиках с эллиптической формой, таких как Messier-87 или наш спиральный Млечный Путь, разбросаны больше и, следовательно, дальше от опасного излучения AGN.

Звезды выстроились на борту Queen Mary 2

Сиппи приехал в Дартмут с живым интересом к черным дырам и к концу второго семестра присоединился к лаборатории Райана Хикокса, профессора и заведующего кафедрой физики и астрономии. Позже, во время обсуждения потенциального старшего проекта по излучению AGN, вмешалась судьба.

Отправляясь в Англию на творческий отпуск в 2023 году, Хикокс забронировал поездку на Queen Mary 2, чтобы взять с собой свою собаку Бенджамина. На борту корабля он пообщался с астрофизиком из Эксетера Натаном Мейном, который был приглашенным докладчиком на корабле. Они быстро поняли, что у них есть общий интерес к радиации, и что программное обеспечение PALEO, которое Мейн использовал для моделирования солнечной радиации в атмосферах экзопланет, можно применить к более мощным лучам активного ядра галактики.

Эта встреча открыла Сиппи путь к работе с Игер-Нэшем, тогда аспирантом в лаборатории Мейна. Используя язык программирования Julia, они ввели в свою модель начальные концентрации кислорода и других атмосферных газов на своей планете, похожей на Землю.

«Она моделирует каждую химическую реакцию, которая может иметь место», — говорит Сиппи. «Она возвращает графики того, сколько излучения попадает на поверхность на разных длинах волн, и концентрацию каждого газа в вашей модели атмосферы в разные моменты времени».

Обратная связь, которую они обнаружили в насыщенной кислородом атмосфере, оказалась неожиданной.

«Наши коллеги не работают с излучением черных дыр, поэтому они не были знакомы со спектром черной дыры и с тем, насколько ярче может быть активное ядро галактики по сравнению со звездой в зависимости от того, насколько близко вы к нему находитесь», — говорит Хикокс.

Если бы не судьба, которая объединила две лаборатории, проект мог бы никогда не состояться.

«Это тот тип понимания, который можно получить, только объединив различные наборы знаний», — добавляет он.

Окончив Дартмут, Сиппи отправился в Миддлбери-колледж, чтобы работать научным сотрудником в лаборатории Мак-Кинли Брамбэка, доктора философии Гуарини. Брамбэк работал в лаборатории Хикокса в качестве аспиранта, а сейчас является доцентом кафедры физики в Миддлбери, изучая рентгеновские двойные системы нейтронных звезд с аккрецией.

Она привнесла в проект уникальную перспективу. В рентгеновских двойных, которые она изучает, нейтронная звезда вытягивает материю из обычной звезды, заставляя падающий материал нагреваться и испускать рентгеновские лучи.

В то время как AGN может потребоваться до миллионов лет, чтобы перейти из активного состояния в неактивное, рентгеновские двойные могут измениться всего за несколько дней или месяцев. «Многое из того же, что применимо к AGN, применимо и к рентгеновским двойным, но временные шкалы намного короче, чем для AGN», — говорит она.

По ее словам, Брамбак внесла свой вклад в анализ AGN и выступила в роли «слегка отстраненного читателя», чтобы обеспечить доступность статьи для неспециалистов.

«Благодаря превосходному стилю Кендалла, так оно и было».

Больше информации: Kendall I. Sippy et al, Impacts of UV Radiation from an AGN on Planetary Atmospheres and Consequences for Galactic Habitability, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adac5d

Источник: Dartmouth College