Как всегда, теоретикам портят жизнь высококачественные наблюдения... Еще совсем недавно теоретики говорили уверенно: на z > 1 скоплений галактик не существует. Однако наблюдения и тут все испортили.

Традиционной моделью образования галактик является иерархическая модель, согласно которой небольшие галактики постепенно сливаются, образуя все более крупные галактики. Книга опытного наблюдателя Ольги Сильченко «Происхождение и эволюция галактик» (2017 год), написанная живым языком, не оставляет камня на камне от иерархической модели образования галактик! О. Сильченко пишет: «По иерархической концепции, распределение плотности вещества во Вселенной эволюционирует от почти совсем однородного в эпоху рекомбинации до сильно структурированного, скученного, в нашу эпоху... Наблюдательный же факт, установленный вполне надежно, состоит в том, что... практически за все время жизни Вселенной не произошло никакой эволюции степени скученности галактик... Как это может быть?»

В иерархической концепции, пишет О. Сильченко, «чтобы объяснить наблюдаемую корреляцию „масса — металличность“ у эллиптических галактик (чем массивнее галактика, тем выше содержание тяжелых элементов в ее звездах), приходится предполагать, что каждое слияние двух дисковых галактик сопровождается вспышкой звездообразования. Тогда при каждом „укрупнении“ галактик будут производиться новые тяжелые элементы и таким образом будет возрастать средняя металличность звездного населения с увеличением массы эллиптической галактики...Если это так, то средний возраст звездного населения в центре современных массивных эллиптических галактик должен быть относительно невелик, 3–5 млрд лет; между тем по спектрам и цветам он уверенно оценивается как более 8 млрд лет... и чем массивнее эллиптическая галактика, тем старше ее звездное население!»

Из-за проблем с иерархической концепцией образования галактик, основанной на инфляционной космологии, в последние годы становится все популярнее аккреционная модель, согласно которой галактики образуются вокруг сверхмассивных дыр, существовавших на самом раннем этапе расширения Вселенной (Черепащук, 2014; Долгов, 2018). Эта концепция позволяет по-новому посмотреть на старую проблему галактической космогонии: каков механизм образования разных типов галактик — как эллиптических, имеющих малый угловой момент, так и спиральных, у которых этот угловой момент заметно выше?

Вокруг центральной черной дыры на первом этапе возникает сравнительно небольшой аккреционный диск, который начинает эффективно сгребать пролетающее вещество, часто собранное в виде облаков Джинса, после чего компактный диск разрастается в целую галактику. Можно показать (см. детали в Приложении II), как в аккреционной модели образования галактик решается проблема образования эллиптических и спиральных галактик. Рассмотрим квазилобовое взаимодействие облака Джинса и сверхмассивной дыры SMBH, у которой пока еще нет диска. Облако гораздо больше дыры и огибает ее с разных сторон. Черная дыра искривляет траектории движения частей облака так, что они после пролета возле дыры начинают сталкиваться друг с другом и терять скорость и энергию движения, тем самым все облако (или какая-то его часть) оказывается захваченным черной дырой и должно образовать первичный аккреционный диск. Направление вращения этого диска задается случайно, в зависимости от геометрии встречи SMBH и облака.

За характерное время в несколько миллионов лет вокруг сверхмассивных черных дыр появятся первичные аккреционные диски с плавной функцией распределения по размерам и угловому моменту вращения. Но, как это часто бывает в небесной механике, плавное изменение какого-то параметра (например, прицельного расстояния между астероидом и планетой) может приводить к кардинально различным следствиям (например, захват астероида на прямую орбиту вокруг планеты или на обратную). Так и в данном случае: разные плотности образовавшегося вокруг черной дыры диска вызвали два разных типа аккреции: трехмерную и двумерную (см. рис. 10).

Трехмерная аккреция возникает тогда, когда начальный аккреционный диск достаточно плотный, поэтому он захватывает все облака газа, которые пытаются пролететь через него — в любом направлении и под любым углом. В результате трехмерной аккреции приток массы в диск оказывается максимальным, а вот приток углового момента — минимальным, потому что суммарный угловой момент захватываемых облаков, прилетающих с разных направлений, оказывается близок к нулю. Тем самым диск растет массивным, толстым и медленно вращающимся (см. рис. 10).

Двумерная аккреция случается тогда, когда начальный диск вокруг дыры слишком прозрачный и неплотный. В этом случае те облака, которые пролетают поперек диска, тормозятся слабо и улетают из системы. Захватываются в диск только те облака, чьи пролетные траектории близки к плоскости диска, потому что в этом случае масса области диска, с которой взаимодействует облако, значительно увеличивается (см. детали расчетов в Приложении II). Здесь возникает два варианта: если облако огибает дыру в том же направлении, в каком вращался аккреционный диск, тогда облако приносит в диск не только массу, но и значительный угловой момент. Если облако движется навстречу вращению диска, то при столкновении с веществом диска происходит аннигиляция угловых моментов облака и части диска, которые в результате столкновения падают ближе к дыре, образуют балдж — более плотную и медленно вращающуюся внутреннюю область диска. Вещество балджа может питать сверхмассивную черную дыру, превращая ее в квазар (илл. 8 и 9).

Можно предположить, что трехмерная аккреция приводит к образованию эллиптических галактик, в то время как двумерная аккреция должна порождать плоские дисковые галактики с центральными балджами, напоминающими по строению и вращению небольшие эллиптические галактики.

Как уже обсуждалось, есть два сценария возникновения сверхмассивных черных дыр: они возникли в ходе многократных циклов в реликтовой популяции черных дыр или они могли образоваться из флуктуаций какой-то плотной среды либо гипотетического поля в начале данного цикла. Во втором сценарии сверхмассивные черные дыры (и галактики, которые образуются вокруг них) будут двигаться вместе со средой, из которой они возникли. В свою очередь, реликтовые сверхмассивные черные дыры, возникающие по первому сценарию, динамически независимы и не связаны генетически с остальной плазменно-газовой средой, поэтому логично ожидать, что они могут двигаться относительно нее с какой-то скоростью.

Предположим, что центральные дыры движутся медленнее или быстрее фонового газа, то есть имеют некоторую среднюю скорость относительно него в момент формирования галактики. Эта разница может обеспечиваться тем, что в момент Большого взрыва газ расширялся быстрее популяции черных дыр — хотя бы из-за давления излучения. Но газ мог расширяться и медленней черных дыр — это ничего не изменит в дальнейших рассуждениях.

Если рассмотреть сближение между сверхмассивной дырой и облаком газа, то легко понять, что черная дыра и изгибающаяся в ее гравитационном поле траектория облака будут лежать в одной плоскости. Брошенный камень, пройдя по параболе, упадет на землю, двигаясь непременно в вертикальной плоскости. Нельзя бросить камень так, чтобы парабола его движения располагалась в горизонтальной плоскости.

Следовательно, плоскость диска, образовавшегося в результате захвата, тоже будет близка к плоскости траектории движения первоначального облака. Если нет систематической скорости движения дыры и окружающих облаков, то плоскости начальных аккреционных дисков будут располагаться хаотически. Пусть систематическая скорость между дырой и облаками существует и направлена по оси X, а оси Y и Z будут перпендикулярны ей. Очевидно, что облака будут налетать на дыру вдоль оси Х чаще, чем с других направлений. При этом облако будет захватываться в плоскости, к которой принадлежит ось X, то есть в плоскости XY, или XZ, или в любые промежуточные, и не будет выходить на орбиты, которые лежат в плоскости YZ, поперек линии первоначального движения облака.

Следовательно, скорость относительного движения вдоль оси X между сверхмассивными черными дырами и окружающими их облаками приведет к тому, что оси образующихся дисков (и галактик, который выросли из них) будут расположены анизотропно — будет существовать направление X, которого оси дисковых галактик будут избегать. Это соответствует глобальной квадрупольной анизотропии распределения осей галактик.

Эту естественную особенность аккреционной модели образования галактик, предполагающей существование реликтовых черных дыр, логично сопоставить с многочисленными статьями, обсуждающими квадрупольную анизотропию распределения осей вращения галактик. Например, в Астрофизическом бюллетене в 2009 году были опубликованы интересные статьи В. Амирханяна из ГАИШ МГУ об анизотропии распределения осей вращения галактик. В. Амирханян рассмотрел каталог из 10 тысяч галактик с джетами (струйными выбросами), направление которых должно быть близко к осям вращения галактик или аккреционных дисков вокруг центральных сверхмассивных дыр. Он с высокой достоверностью показал, что оси вращения галактик избегают определенного направления, то есть двух противоположных участков неба, которые близки к Северному и Южному полюсам Земли. В статьях Амирханяна делается обзор и предыдущих работ на эту тему: М. Рейнхарда, П. Нильсона, А. Лауберта, С. Парновского и др. Феномен анизотропии осей галактик примечателен тем, что он может проявляться и для достаточно близких галактик. Существует целая серия статей Л. Шамира из Канзасского университета об асимметрии числа левовращающихся и правовращающихся галактик, а также исследования М. Лонго из Мичиганского университета об асимметрии распределения лево-вращающихся и правовращающихся спиральных галактик. Эти феномены, если их достоверность будет доказана, могут быть связаны с анизотропией распределения осей вращения галактик, но для подтверждения такой связи нужен более детальный анализ.