Космос

Вибухи, злиття і мандрівки: що відбувається з чорними дірами

Астрофізик Сергій Попов про те, як чорні діри народжуються, живуть і мандрують по галактиках, а люди намагаються їх вивчати

Shutterstock

Про експерта: Сергій Попов, доктор фізико-математичних наук, професор РАН.

Астрономія цікава тим, що ми не можемо безпосередньо експериментувати з об’єктами дослідження. Але завдяки винаходу нових телескопів, астрономічних супутників, у нас з’являються різноманітні дані по багатьох об’єктах, в тому числі за найзагадковішим з них – чорним дірам. Це дозволяє краще розуміти, як вони влаштовані, як з’явилися і що з ними відбувається у Всесвіті.

Чорна діра – це область всередині космосу з настільки сильною гравітацією, що вона засмоктує все навколо, включаючи світло. Професор РАН Сергій Попов пояснює, що у чорних дірок немає чіткого визначення, і навіть таке – це один з варіантів. Якщо запитати різних вчених – астрофізиків і фізиків – вони підійдуть до відповіді з різних сторін. Є енциклопедичні словники, які закріплюють визначення і дають конкретні відповіді, але єдино вірного формулювання не існує.

Чотири типи чорних дір

Всі тіла викривляють навколо себе простір і час. Чим компактніше тіло, тим помітніший цей ефект. Компактність – це не просто розмір. Маленьке тіло з великою масою теж буде компактним. Чорні діри – граничний випадок. Ми можемо взяти, що завгодно: хмара газу або нейтронну зірку, почати їх стискати і, врешті-решт, будь-який з цих об’єктів перетвориться на чорну діру. Там все змінюється. Інформація зсередини не може потрапити назовні. Тому чорні діри здаються іноді не стільки цікавими об’єктами, скільки загадковими. Ми дійсно не знаємо, що відбувається всередині.

Тому є два підходи до вивчення чорних дір. Перший – більш фізичний: ми говоримо про властивості чорних дір, в тому числі, внутрішніх. Тут поки ми обмежуємося теоретичними дослідженнями. Другий – астрофізичний. В астрофізиці виділяють чотири основних типи чорних дір.

Найвідоміші – надмасивні чорні діри. В будь-якій великій галактиці знаходиться центральна чорна діра. Існують чорні діри з масами від декількох тисяч мас Сонця до десятків мільярдів. Є така чорна діра в центрі нашої галактики.

Другий популярний тип – чорні діри зоряних мас. Зірки еволюціонують: відбувається термоядерна реакція в надрах, легкі елементи перетворюються на важкі. Але цей синтез рано чи пізно закінчується. Формується залізне ядро. І ось це залізне ядро починає схлопуватися. Якщо цей колапс не зупинити, утворюється чорна діра. Тут, природно, ми не отримаємо ніяких мільярдів мас Сонця, тому що стартуємо з зоряної маси – це 20, може бути, 200 мас Сонця. Чорна діра, очевидно, буде трохи легше, тому що не всі речовина зірки потрапить всередину.

Іноді виділяють окремий тип чорних дір проміжних мас – щось середнє між зірками і сверхмассивными чорними дірами. Поки немає розуміння, як ці об’єкти виникали. Може бути, кілька масивних зірок злилися один з одним в щільному скупченні, на короткий час утворили зірку з масою, скажімо, в тисячу мас Сонця. І її не отрасколлапсировали.

Нарешті, є так звані первинні чорні діри, які повинні утворюватися в молодий Всесвіту. Принадність таких первинних чорних дірок в тому, що вони виникають раніше всього – раніше зірок і галактик. А ще вони можуть мати дуже різні маси: від досить великих до зовсім мікроскопічних. Ці об’єкти мають ряд унікальних властивостей. Їх дуже кортить виявити, але поки самі різні спроби ні до чого не привели.

Тому в реальності ми маємо справу з сверхмассивными чорними дірами і чорними дірами зоряних мас, а також у нас є непогані кандидати в чорні діри проміжних мас.

Спостереження за речовиною навколо чорної діри

З надр дірки назовні ніякої сигнал за визначенням потрапити не може. Сама чорна діра не видно, у неї немає поверхні, тільки горизонт. Тому, вивчаючи реальні чорні діри, надмасивні або чорні діри зоряних мас, ми, в першу чергу, бачимо процеси, які відбуваються навколо них. Основний спосіб вивчення, спостереження за речовиною, яка розігрівається в околиці чорної діри.

Розглянемо найпростіший приклад. Є чорна діра в центрі галактики. Там же завжди є якийсь газ, він притягується до чорної діри. Якщо газ рівно падає в чорну діру, він майже нічого не буде випромінювати, але якщо він трохи обертався навколо, то цей рух буде ставати все більш помітним у міру наближення газу до чорної діри. І, нарешті, поблизу чорної діри може утворитися гравітаційний диск – із-за тертя газ нагрівається до високої температури. У надмасивних чорних дір ми, як правило, бачимо оптичне і ультрафіолетове випромінювання диска, а у більш легких чорні діри зоряних мас – рентгенівське випромінювання. У цьому випадку джерелом речовини є друга зірка.

Зірки, особливо масивні, люблять народжуватися парами. Часто виникає ситуація, коли речовина перетікає з однієї зірки на іншу. Цим другим об’єктом може бути компактний об’єкт: білий карлик, нейтронна зірка або чорна діра. Знову-таки утворюється диск, і ми бачимо його випромінювання. Так були відкриті перші хороші кандидати в чорні діри, наприклад, знаменитий джерело Лебідь Х-1. Але в переважній більшості подвійних систем цього перетікання речовини немає. Виходить, що астрономи, шукають під ліхтарем – там, де простіше знайти. Ми бачимо ті об’єкти, які самі видають свою присутність потужним випромінюванням.

Зірка – чорна діра: спостереження за подвійними системами

Коли люди взагалі зрозуміли, що можуть існувати чорні діри, з’явилася проста ідея. Уявіть, жили-були дві зірки. Одна перетворилася на чорну діру. Але ми продовжуємо бачити другу зірку. Що вони роблять, якщо у зв’язці утворюють подвійну систему? Обертаються навколо загального центру мас. Тоді стає важливим зафіксувати рух видимої зірки – отримати її спектр і по зсуву спектральних ліній, тобто за ефектом Доплера, зауважити: то зірка рухається до вас, то рухається від вас. Це і є обертання навколо центра мас у подвійній системі. Якщо ви доведете, що другий компонент досить масивний, має масу більше трьох мас Сонця і невидимий, тоді це може бути тільки чорна діра. Така ідея була висунута ще на початку 1960-х років. Але тоді не вдалося відкрити жодного об’єкта, і тільки в останні кілька років стали з’являтися статті, де вчені повідомляють про те, що вони побачили таку систему.

Спостереження тут досить складні. Тому що одночасно треба довести, що другий компонент насправді невидимий, а не просто дуже слабкий. Це досить важко зробити, тому що перша зірка, найчастіше, яскрава. Її світло заважає розгледіти другий тьмяний компонент. Потім важливо довести, що другий об’єкт легкий і що це саме чорна діра, а не нейтронна зірка, білий або червоний карлик.

До недавнього часу всі хороші кандидати в підсумку відкидалися. Але в цьому році, нарешті, з’явилася робота, де, по всій видимості, люди насправді побачили таку неактивну чорну діру в подвійній системі. Дуже важливо відкрити, тому що на даний момент ми не дуже добре розуміємо, які зірки дають саме чорні діри, а які – нейтронні зірки.

Також дуже цікаво дізнатися, яку швидкість набувають чорні діри при народженні. Ці дані дозволять зрозуміти, як же відбувався колапс. Це дуже складний процес, який ми намагаємося моделювати на комп’ютері, але в дрібних деталях поки це зробити не виходить. Точніше, виходить багатьма різними способами. Щоб вибрати правильний, нам потрібно порівнювати результати з реальними даними.

Система розпалася: спостереження за самотньої чорною дірою

Не всі рухаються зірки вказують на присутність поруч чорної діри – зміщення повинно бути досить велика. До недавнього часу не вдавалося дістатися до таких зірок. На щастя, на орбіті працює європейський супутник Gaia, завдання якого – вимірювання точного положення зірок. Це дає нам можливість отримати статистику по чорних дірок і, в кінцевому рахунку, повинно привести до набагато кращому розумінню того, як вони виникають.

Якщо подвійна система розпалася, зірка вибухнула, то утворюється ситуація гірше, ніж з чорною кішкою в чорній кімнаті: чорна діра літає сама по собі в чорному космосі. Але виявляється, що загальна теорія відносності дає нам можливість дізнатися про присутність чорної діри. Це можливо завдяки ефекту гравітаційного лінзування. Уявіть, що ми спостерігаємо за зіркою, і її блиск симетрично у всіх спектрах починає зростати – значить, між нами і зіркою промайнуло якесь масивне тіло і искривило простір-час. Проблема в тому, що ймовірність такого випадку мала. Якщо ви хочете зробити красиве

В галактиці близько 400 млрд зірок, чорних дір – кілька сотень мільйонів. Через багато років спостережень нарешті з’явилися кандидати в події, де ми ідентифікуємо присутність одиночної чорної діри, яка нічого не робила, а просто летіла, але випадково посилила світло далекої зірки і тим самим видала себе. Це дозволяє визначити масу чорної діри, що важливо для вивчення того, як зірки закінчують своє життя.

У нейтронних зірок типова маса – півтори-дві маси Сонця. У чорних дірок зазвичай – сім-десять мас Сонця. Посередині цих мас дуже мало об’єктів. За допомогою супутника Gaia, який засік ефект гравітаційного лінзування, вдалося виявити чорну діру, яка потрапляє в цю щілину розподілу по масам. Це вкрай важливо для розуміння зоряної еволюції і в кінцевому рахунку, повертає нас до питання, які ж зірки перетворюються на чорні діри.

Спостереження за системою двох чорних дір

Зараз найекзотичніші астрономічні спостереження – це пошуки гравітаційно-хвильових сплесків. Це найкращий спосіб вивчення чорних дір у великій кількості з точним визначенням мас. Масивні зірки в основному народжуються в подвійних системах. Може скластися така ситуація, що обидві зірки перетворилися на чорні діри, і системи вижила. Дві чорні діри обертаються навколо загального центру мас. Вони втрачають енергію за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль – це можна вважати абсолютним тертям викривлення простору. Тобто енергія забирається у подвійної системи, і чорні діри зближуються.

Чим ближче вони підходять один до одного, тим інтенсивніше процес випромінювання гравітаційних хвиль. В результаті дві чорні діри зливаються, і виділяється велика кількість енергії, але в дуже екзотичній формі – у вигляді гравітаційних хвиль. Лише у XXI столітті були створені установки, які реально дозволили зафіксувати це явище. У вересні 2015 року установки LIGO вперше зареєстрували гравітаційно-хвильовий сплеск злиття двох чорних дір. З тих пір було помічено вже 100 гравітаційно-хвильових сплесків.

Такі спостереження дозволяють визначити ще один чудовий параметр – чорні діри зближуються несиметрично. Одна чорна діра може бути масивніше інший, напрям осей обертання і швидкість можуть не збігатися. Тому гравітаційні хвилі будуть випромінюватися теж несиметрично – вони забирають енергію і імпульс. А імпульс повинен зберігатися. Тому коли чорні діри зіллються, а гравітаційні хвилі кудись віднесуть більше імпульсу, а куди-то менше, чорна діра повинна почати рухатися: полетіти туди, куди полетіла менше імпульсів, щоб все компенсувати. Виникає питання: наскільки швидко чорна діра може рухатися? Виявляється, дуже швидко – тисячі кілометрів в секунду. Причому все залежить від співвідношення мас чорних дір і від того, як були спрямовані осі обертання.

Цей ефект гравітаційно-хвильовий ракети дуже важливий. Фізики придумали його ще в 1960-ті, а потім про нього в 1990-е згадали астрофізики і зрозуміли, що це реально можна спостерігати. Швидкість в сотні тисяч кілометрів в секунду, наприклад, дозволяє чорній дірі вилетіти з галактики і почати мандрувати в міжгалактичному просторі. Тобто воно зовсім не пусте, насправді його борознить простори велику кількість чорних дір. Вперше це вдалося довести завдяки обробці даних установок LIGO.

Чорна діра в галактиці

Звичайно, чорна діра не полетіла, якщо б утворилася прямо поблизу центральної чорної діри своєї галактики. У цій області прямо поблизу будь центральної чорної діри зірки обертаються. У центрі нашої галактики знаходиться чорна діра – вона дуже маленька і легка. Але на своє найближче оточення вона діє сильно. Сонце не обертається навколо центральної чорної діри, ним керує галактика, а зірки, що знаходяться поблизу чорної діри, управляються їй. Це цікаво, тому що чорну діру ми не бачимо. Нам доступно або речовина навколо, або об’єкти. Зірки обертаються навколо центральної чорної діри з якимось орбітальним періодом. Довгий час найбільш відомою зіркою була та, що робила оборот навколо чорної діри за 15 років. Тобто, щоб отримати хорошу інформацію, потрібно довго спостерігати. А де ж зірки, які знаходяться ще ближче до чорної діри? У центрі галактики їх важко спостерігати, так як ця область сильно закрита пилом.

Але інструменти спостереження стають більш чутливими, і тому постійно ставляться рекорди. Виявляються зірки, які знаходяться все ближче і ближче до чорної діри. Була виявлена зірка, що робить оборот за 9 з хвостиком років. І, нарешті, в цьому році був встановлений ще один рекорд – вчені знайшли зірку, яка робить оборот навколо чорної діри всього за чотири роки.

Це теж дуже цікаво, оскільки, чим ближче ми підбираємося до чорної діри, тим сильніше всі ефекти загальної теорії відносності проявляють себе. Але є межа: якщо зірка підійде занадто близько до чорної діри, то приливні сили просто розірвуть її. Навколо чорної діри на короткий час виникає аккреційний диск, і до цього спокійна чорна діра стає активною, вона починає пожирати це речовина.

Вивчати чорні діри дуже складно, але цікаво. Останній рік був багатий на відкриття в цій області. Резюмуючи сказане: за різними напрямками ми отримуємо багато нової інформації про чорні діри, причому навіть тих, які раніше спостерігати було дуже важко.