Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Присутствие черной дыры звездной массы можно установить и иначе — найти и отслеживать переменные источники рентгеновского и гамма-излучения. Если такой источник можно отождествить с видимой звездой, то она, скорее всего, находится в двойной системе и тесно взаимодействует с белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой. Изменчивость и энергетические свойства излучения станут дополнительными подсказками для различения верного сценария среди этой вероятной триады. Орбитальная рентгеновская обсерватория RXTE, запущенная в 1996 году, особенно искусно отслеживала по всей небесной сфере шалости этих громогласных «крикунов» (см. раздел «Рекомендуемая литература и ресурсы»).
В Млечном Пути известно примерно двадцать кандидатов в черные дыры звездной массы, но вполне возможно, что в нашей Галактике их гораздо больше. Оценочные данные, основанные на общем количестве звезд в Млечном Пути и той их доле, которая обладает достаточной массой для образования черной дыры, позволяют предположить, что в диске, балдже и гало Галактики присутствует приблизительно 100 млн черных дыр звездной массы. Полный список кандидатов в черные дыры звездной массы, в черные дыры средней массы и в сверхмассивные черные дыры можно найти в «Энциклопедии черных дыр» (Black Hole Encyclopedia), составляемой под патронажем обсерватории МакДоналд (см. раздел «Рекомендуемая литература и ресурсы»).
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ — НЕ АЛЧНЫЕ БЕЗДНЫ
Одно из главных заблуждений, связанных с черными дырами, — это уверенность в том, что их гравитационное влияние распространяется гораздо дальше, чем у других форм материи. Расхожее представление о черной дыре, затягивающей в себя все, что окажется рядом, по большей части ошибочно. Например, если бы вы каким-то образом сумели заменить Солнце на черную дыру с аналогичной массой, то практически ничего бы не изменилось: все планеты, астероиды и кометы так и вращались бы по своим орбитам вокруг черной дыры. Конечно, в Солнечной системе было бы намного темнее, и жизнь на Земле и других планетах или спутниках неминуемо вернулась бы к внутренним источникам тепла и химической энергии. Но чтобы ощутить таинственные эффекты искривленного пространства-времени, потребовалось бы проникнуть достаточно далеко за пределы изначального радиуса Солнца. Тогда и только тогда мы бы стали свидетелями замедления времени, сокращения длины, растягивающего действия приливных сил и сильного искривления света, предсказанных Эйнштейном.
 Черные дыры средней массы 
Астрономы потратили десятилетия, пытаясь найти черные дыры, масса которых была бы больше, чем у остатков звезд, и меньше, чем у сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в ядрах гигантских галактик. По массе такие объекты были бы сопоставимы с сотнями и даже многими тысячами солнц. Успех пришел совсем недавно, и пока в «Энциклопедии черных дыр» перечислены только шесть кандидатов. Три из них находятся в центрах шаровых скоплений, а остальные — в центрах маломассивных галактик или в дисках других галактик, более массивных. Недавно международная команда астрономов выдвинула еще несколько десятков кандидатов в черные дыры средней массы. Выявить присутствие таких черных дыр по отношению к их галактикам-хозяйкам важно, поскольку это поможет астрофизикам определить, каким образом они образовались: как некие «семена», к которым позже приросли ближайшие черные дыры звездной массы, или как итог одного большого коллапса плотного первозданного облака?
Сверхмассивные черные дыры
Наилучшие доказательства существования черных дыр можно найти в центрах крупных галактик. Спектроскопия высокого разрешения позволила нам заглянуть в самые потаенные галактические уголки и получить данные о сверхмассивных черных дырах, содержащих от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Спектроскопия показывает звезды, которые чрезвычайно быстро движутся по своим орбитам, а это возможно только в том случае, если в пределах этих орбит располагается огромная гравитирующая масса. Высокая пространственная разрешающая способность космического телескопа «Хаббл» позволила «засечь» звезды, удаленные от центров галактик всего на несколько десятков световых лет. Предполагаемые массы этих центров, с которыми часто сочетается ассоциируемая ядерная активность — это сильный довод в защиту идеи, согласно которой в ядрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры.
 
Кроме того, астрономы выявили важную взаимосвязь между массами черных дыр, находящихся в центрах галактик, и массами окружающих их галактических балджей. Соотношение массы черной дыры к балджу составляет примерно 1:1000. Эта стойкая взаимосвязь подразумевает, что черные дыры и галактические балджи, вероятно, эволюционировали вместе. Однако подробности их совместной эволюции остаются неясными.
Но самые убедительные свидетельства существования сверхмассивных черных дыр мы найдем в центре Млечного Пути, поскольку он в 90 с лишним раз ближе, чем центр любой другой гигантской галактики, и его можно изучить гораздо более подробно. При помощи огромных телескопов «Кек», расположенных на Гавайях — на вершине горы Мауна-Кеа, — Группа галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Андреа Гез более 10 лет отслеживала самые далекие звезды Галактики. В частности, звезда S0-2 находится на расстоянии 0,0019 светового года (120 а. е.) от центра Млечного Пути. Эта протяженность эквивалентна радиусам орбит некоторых транснептуновых объектов в самых отдаленных уголках нашей Солнечной системы. И если учесть такое расстояние, то стремительная скорость S0-2, составляющая 2,5 % от скорости света, позволяет астрономам предположить, что в этой области находится сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн M⊙. (В 2020 году Андреа Гез и Райнхард Генцель получили за это достижение Нобелевскую премию по физике.)
Совсем недавно группа Калифорнийского университета в Лос- Анджелесе построила кинематическую модель орбитального движения звезды S0-2 в трехмерном пространстве. Эта дополнительная информация показала, что траектория движения S0-2 согласуется не с законом обратных квадратов Ньютона, а с теорией относительности Эйнштейна. Эйнштейновское искривление пространства-времени в присутствии столь концентрированного вещества по-прежнему дает нам наилучшую модель, благодаря которой мы понимаем, как ведут себя материя и свет вблизи черных дыр.
В 2019 году в мировой прессе широко освещались еще более важные новости, касающиеся сверхмассивных черных дыр. 10 апреля команда проекта «Телескоп горизонта событий» объявила, что им удалось получить изображение сверхмассивной черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Объединив радиосигналы из восьми обсерваторий, расположенных в разных точках планеты, команда смогла создать снимок с достаточно мелкими деталями, чтобы можно было рассмотреть черную дыру (см. eventhorizontelescope.org). Световое кольцо, заметное на снимке, астрономы интерпретируют как гравитационно линзированное излучение, исходящее от вещества, расположенного сразу за горизонтом событий черной дыры. Команда нацелила свои радиотелескопы и на гораздо более близкую сверхмассивную черную дыру в Млечном Пути. Однако на момент написания этого текста они еще не сообщили о каких-либо результатах.
 Гравитационное излучение 
За время работы над этой книгой область гравитационно-волновой астрономии превратилась из «погони за химерами» в признанную науку огромной важности. Гравитационное излучение было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году как основной результат его теории относительности, в которой ньютоновские силы заменяются искривлением пространства-времени в присутствии материи. Эта же теория предсказывала, что любое асимметричное возмущение в расположении гравитирующей материи вызовет серию распространяющейся наружу «ряби» в ткани пространства-времени — гравитационную волну. Экспериментальные поиски гравитационного излучения начались в конце 1960-х годов, но только в конце 1980-х годов мы начали создавать достаточно точные приборы. Необходимая точность невероятна, поскольку воздействие проходящей гравитационной волны от удаленного источника искривит ткань пространства-времени на Земле на уровнях, меньших 1 % диаметра протона!