Плевок из дыры

В Млечном Пути есть звезды, которые двигаются с четвертой космической скоростью. Это позволяет им преодолеть притяжение Галактики и покинуть ее пределы. Происхождение и поведение таких гиперскоростных светил вызывает много вопросов, и ответы на них помогли бы понять природу сверхмассивной черной дыры в центре Галактики и распределение темной материи в ней.

Расположение видимой и скрытой материи в Млечном Пути определяют по наблюдаемому движению светил. Ускорение свободного падения Солнца относительно центра Галактики равняется двум ангстремам за квадратную секунду, что в сто миллиардов раз меньше этой величины на поверхности Земли. Примерно с таким же ускорением, как и Солнце, перемещается вокруг Галактики видимая и невидимая материя.

Первые доказательства существования темной материи появились в 1932 году, когда нидерландский астроном Ян Оорт разработал первую современную теорию звездного движения. Изучив перемещение расположенных в окрестностях Солнца светил, он пришел к выводу, что должна быть невидимая материя. Ее сегодня и называют темной.

Последующие наблюдения за перемещением облаков нейтрального водорода, проведенные с гораздо большей точностью, подтвердили выводы Оорта — скорость вращения объектов с увеличением расстояния от центра Млечного Пути не снижается, а остается примерно постоянной. Поскольку экспериментальных оснований для пересмотра общей теории относительности не нашлось, предполагается, что на движение галактик и облаков влияет темная материя.

В Млечном Пути большинство звезд движутся по примерно круговым орбитам внутри диска радиусом 60 тысяч световых лет. У галактики также есть центральная эллиптическая выпуклость радиусом около шести тысяч световых лет с плотным расположением звезд и разреженная внешняя область, называемая гало и простирающаяся на расстояние около 800 тысяч световых лет от центра Млечного Пути.

Из этой картины выпадает новый класс астрономических объектов — так называемые гиперскоростные звезды, способные мигрировать от центра Галактики к ее внешнему гало. Первый такой объект был обнаружен десять лет назад астрономами Уорреном Брауном, Маргарет Геллер, Скоттом Кеньоном и Майклом Курцем в Смитсоновской астрофизической обсерватории в США. Необычная звезда на расстоянии 300 тысяч световых лет от центра Млечного Пути удалялась от Земли со скоростью 850 километров в секунду, что более чем в два раза превышает четвертую космическую скорость.

Рождение сверхновой звезды или взаимодействие с другим светилом не объясняет столь высокую скорость из-за малой массы объектов. Тут понадобились бы тела примерно в сто тысяч раз тяжелее Солнца. В Млечном Пути есть как минимум один такой объект — сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Изучение гиперскоростных звезд, таким образом, позволит прояснить природу сверхмассивной черной дыры, а траектория их движения поможет понять распределение темной материи в галактике.

Впервые идею о том, что сверхмассивная черная дыра может выбросить звезду из центра галактики, выдвинул в 1988 году физик-теоретик Джек Хиллз. Он показал, что скорость таких объектов достигает тысячи километров в секунду, и предложил этому физическое объяснение.

По Хиллзу, первоначально была двойная звезда. По классической механике, орбитальное движение двух тел в случае отсутствия возмущения будет устойчивым. Если в эту систему внести третье тело (возмущение), то устойчивость нарушается и внутри системы происходит перераспределение энергии. Тогда одно из тел покидает трехсоставную систему. Физически в качестве первоначальной двойной системы выступает двойная звезда, третьего (возмущающего) тела — сверхмассивная черная дыра. Гиперскоростная звезда — это тело, покидающее систему.

Столкновения двойных звезд со сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути, по оценкам Хиллза, происходят каждые несколько тысяч лет, а перемещающаяся со скоростью тысяча километров в секунду гиперскоростная звезда проходит 33 тысячи световых лет за десять миллионов лет. Значит, к настоящему времени на таком расстоянии от центра Галактики должно существовать несколько тысяч гиперскоростных звезд.

В романе «Вечный свет» фантаста Пола Маколи, опубликованном в 1993 году, гиперскоростная звезда пролетела мимо Земли и принесла с собой недружелюбных инопланетян. В конце XX века коллеги Хиллза предложили механизм образования гиперскоростных звезд в результате взаимодействия с двойной сверхмассивной черной дырой. Наконец, в 2005 году первый такой объект был открыт.

Как показали наблюдения, на расстоянии светового года от центра Галактики на короткоживущих орбитах находятся несколько сотен светил, на расстоянии ста световых лет — светила и газовые облака, которые в сумме тяжелее Солнца в миллион раз. В пользу того, что в центре Млечного Пути есть сверхмассивная черная дыра тяжелее Солнца в четыре миллиона раз, указывают два главных факта. Во-первых, радиоисточник Стрелец A* перемещается с нулевой скоростью относительно вращающихся вокруг него звезд. Во-вторых, скорости движения наиболее близких светил составляют несколько процентов от скорости света в вакууме, равной 300 тысячам километров в секунду.

Светила, вращающиеся вокруг центра Млечного Пути на расстоянии светового года, возникли, вероятнее всего, из газопылевого (аккреционного) диска сверхмассивной черной дыры. Радиус внутреннего края этого диска — 0,1 светового года. Внутри него выявлено около 20 светил с крайне неустойчивыми орбитами. Наиболее вероятное объяснение их появления вблизи сверхмассивной черной дыры — механизм Хиллза, то есть это остатки двойных звезд, чьи визави превратились в гиперскоростные светила.

Поэтому частота рождения гиперскоростных звезд связана с ростом сверхмассивной черной дыры и приливным взаимодействием в центре Галактики. Для сверхмассивной черной дыры орбитальная скорость двойной звезды достигает десяти тысяч километров в секунду. Скорость обращения светил вокруг общего центра масс в двойной системе — сто километров в секунду. После взаимодействия со сверхмассивной черной дырой и развала двойной системы одно из светил выбрасывается от черной дыры со скоростью около тысячи километров в секунду.

Одиночная звезда вблизи сверхмассивной черной дыры претерпевает приливное разрушение и не превращается в гиперскоростную. Однако если звезда налетает на пару сверхмассивных черных дыр, она превращается в гиперскоростную и движется в строго определенном направлении, определяемом правилом винта. Для более точной оценки скоростей звезд нужно знать физические характеристики двойной системы (размеров и массы ее компонентов).

Браун с коллегами решили обнаружить самые первые гиперскоростные звезды Млечного Пути. К настоящему времени они должны находиться на расстоянии около ста тысяч световых лет от Галактики. Астрономы изучили более половины небосвода северного полушария и, анализируя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили 21 гиперскоростную звезду.

Аналогичные исследования проводят и другие ученые. В частности, обнаружена двойная гиперскоростная звезда, которая ранее, вероятно, входила в состав тройной системы. Следов гиперскоростных звезд от пары сверхмассивных черных дыр пока не обнаружено. Астрономы отмечают, что в этом случае гиперскоростные звезды могут возникнуть не позднее чем за миллион лет до их слияния.

Также отмечается интересная особенность расположения обнаруженных гиперзвуковых звезд на небесной сфере — примерно половина из них находится вблизи созвездия Льва. Почему так — пока непонятно. Ожидается, что исследования в южном полушарии помогут это объяснить.

Ученые давно задавались вопросом, происходит ли в современной человеческой популяции естественный отбор — один из основных двигателей эволюции. Напомним, что естественным отбором называют процесс увеличения числа живых организмов с полезными признаками и уменьшения тех, кто оказался не приспособлен к своей среде обитания. До недавних пор считалось, что эволюция человека прекратилась около 40-50 тысяч лет назад. На это ссылались креационисты, спрашивая у эволюционистов: если человек произошел от обезьяны, то почему он больше не эволюционирует? Им отвечали: естественный отбор просто-напросто утратил свою силу. Современная медицина позволяет выживать подавляющему большинству людей до детородного возраста и заводить детей.

Однако за последние десятилетия накоплены свидетельства того, что эволюция современного Homo sapiens продолжалась и в последние три тысячелетия. Такие адаптации, как толерантность к лактозе, устойчивость к малярии и адаптация к высокогорному климату, возникли у человечества сравнительно недавно. Кроме того, обнаружили, что индекс массы тела у европейцев также находится под давлением естественного отбора.

Исследователи старались выяснить, какие признаки способствуют тому, что человек становится репродуктивно успешным, то есть оставляет больше потомства. Может возникнуть вопрос: при чем тут репродуктивный успех, если речь идет о естественном отборе? Дело в том, что непосредственно естественный отбор почти невозможно выявить в популяции с низкой смертностью. Однако чем более приспособлена особь, тем больше потомства она способна оставить. Следовательно, по количеству родившихся детей можно косвенно судить о степени адаптации родителя — разумеется, с некоторыми ограничениями.

Выяснилось, что люди доиндустриальной культуры достаточно сильно отличались друг от друга своей приспособленностью, и это могло служить подходящим «сырьем» для естественного отбора. По словам Бичема, здесь есть подводный камень. О естественном отборе можно говорить только тогда, когда внешние признаки (фенотип) особи, которые способствуют репродуктивному успеху, связаны с ее генами (генотипом). Методы молекулярной генетики, сравнительно недавно взятые эволюционистами на вооружение, позволяют возвести мост между генотипом и фенотипом.

Бичем стремился установить зависимость между относительным репродуктивным успехом (отношение показателя репродуктивного успеха человека к среднему репродуктивному успеху представителей того же пола) и генетическими вариантами (аллелями), ассоциированными с различными фенотипами. В своей работе он воспользовался данными долговременного исследования Health and Retirement Study, в котором около 20 тысяч взрослых американцев старше 50 лет каждые два года отвечают на вопросы, касающиеся здравоохранения, обеспеченности жильем, финансового состояния, трудовой занятости и инвалидности.

Показатели относительного репродуктивного успеха удобны тем, что их можно использовать для оценки темпов естественного отбора. Чем он интенсивнее, тем быстрее эволюционирует популяция.

Рассматривались такие признаки, как индекс массы тела (ИМТ), уровень образования, концентрация глюкозы в крови, рост, шизофрения, концентрация холестерина в плазме крови и возраст прихода первых месячных у женщин. Предыдущие исследования, направленные на полногеномный поиск ассоциаций, продемонстрировали, что все перечисленные показатели в большей или меньшей степени связаны с генетическими факторами. Речь шла преимущественно о людях 1931-1953 годов рождения, поскольку они уже вышли из репродуктивного возраста.

Результаты показали, что наиболее репродуктивны успешные женщины с высокой массой тела или низким ростом, а также наименее образованные представители обоих полов. Вероятность ошибки — 0,001 для всех случаев. Связь между этими фенотипами и генами была продемонстрирована в статье 2015 года, опубликованной в журнале Nature Genetics. Авторы статьи, американские и европейские ученые, проанализировали более двух тысяч исследований, в которых применялся близнецовый метод.

Также установлено, что бездетные люди отличались более высоким уровнем образования, чем те, у кого был хотя бы один ребенок. В целом именно образованность в конечном итоге оказалась признаком, четко связанным с репродуктивным успехом. Остальные фенотипические черты после статистических поправок не демонстрировали влияния на численность потомства, кроме возраста начала первых месячных, для которого эта связь остается вполне вероятной.

Следует отметить, что под образованностью понимается число лет, потраченных на образование. По оценкам ученого, естественный отбор способствует уменьшению времени учебы на полтора месяца за одно поколение.

Конечно, кажется очевидным, что на учебу тратятся годы, оптимальные для зачатия ребенка, поэтому гены здесь ни при чем. Однако не стоит забывать, что для уровня образования доказана наследуемость. Поэтому можно представить, что какие-то генетические факторы влияют на обучаемость людей, в результате чего они не тратят время на образование, а могут посвятить выигранные годы рождению детей и заботе о них. В результате рождается больше детей, которым передаются «гены низкой образованности».

В статье, опубликованной в журнале Nature в мае 2016 года, продемонстрировано, что уровень образованности может быть связан с некоторыми психоневрологическими и когнитивными особенностями организма, которые, в свою очередь, определяются изменениями в генах, участвующих в развитии центральной нервной системы.