Об эксперте: Сергей Попов, доктор физико-математических наук, профессор РАН.
Астрономия интересна тем, что мы не можем непосредственно экспериментировать с объектами исследования. Но благодаря изобретению новых телескопов, астрономических спутников, у нас появляются разнообразные данные по многим объектам, в том числе по самым загадочным из них — черным дырам. Это позволяет лучше понимать, как они устроены, как появились и что с ними происходит во Вселенной.
Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.
Четыре типа черных дыр
Все тела искривляют вокруг себя пространство и время. Чем компактнее тело, тем заметнее этот эффект. Компактность — это не просто размер. Маленькое тело с большой массой тоже будет компактным. Черные дыры — предельный случай. Мы можем взять, что угодно: облако газа или нейтронную звезду, начать их сжимать и, в конце концов, любой из этих объектов превратится в черную дыру. Там все меняется. Информация изнутри не может попасть наружу. Поэтому черные дыры кажутся иногда не столько интересными объектами, сколько загадочными. Мы действительно не знаем, что происходит внутри.
Поэтому есть два подхода к изучению черных дыр. Первый — более физический: мы говорим о свойствах черных дыр, в том числе, внутренних. Здесь пока мы ограничиваемся теоретическими исследованиями. Второй — астрофизический. В астрофизике выделяют четыре основных типа черных дыр.
Самые известные — сверхмассивные черные дыры. В любой крупной галактике находится центральная черная дыра. Существуют черные дыры с массами от нескольких тысяч масс Солнца до десятков миллиардов. Есть такая черная дыра и в центре нашей галактики.
Второй популярный тип — черные дыры звездных масс. Звезды эволюционируют: происходит термоядерная реакция в недрах, легкие элементы превращаются в тяжелые. Но этот синтез рано или поздно заканчивается. Формируется железное ядро. И вот это железное ядро начинает схлопываться. Если этот коллапс не остановить, образуется черная дыра. Здесь, естественно, мы не получим никаких миллиардов масс Солнца, потому что стартуем со звездной массы — это 20, может быть, 200 масс Солнца. Черная дыра, очевидно, будет немного полегче, потому что не все вещество звезды попадет внутрь.
Иногда выделяют отдельный тип черных дыр промежуточных масс — что-то среднее между звездами и сверхмассивными черными дырами. Пока нет понимания, как эти объекты возникали. Может быть, несколько массивных звезд слились друг с другом в плотном скоплении, на короткое время образовали звезду с массой, скажем, в тысячу масс Солнца. И ее не отрасколлапсировали.
Наконец, есть так называемые первичные черные дыры, которые должны образовываться в молодой Вселенной. Прелесть таких первичных черных дыр в том, что они, возникают раньше всего — раньше звезд и галактик. А еще они могут иметь очень разные массы: от довольно больших до совсем микроскопических. Эти объекты обладают рядом уникальных свойств. Их очень хочется обнаружить, но пока самые разные попытки ни к чему не привели.
Поэтому в реальности мы имеем дело со сверхмассивными черными дырами и черными дырами звездных масс, а также у нас есть неплохие кандидаты в черные дыры промежуточных масс.
Наблюдения за веществом вокруг черной дыры
Из недр дыры наружу никакой сигнал по определению попасть не может. Сама черная дыра не видна, у нее нет поверхности, только горизонт. Поэтому, изучая реальные черные дыры, сверхмассивные или черные дыры звездных масс, мы, в первую очередь, видим процессы, которые происходят вокруг них. Основной способ изучения — наблюдения за веществом, которое разогревается в окрестности черной дыры.
Рассмотрим самый простой пример. Есть черная дыра в центре галактики. Там же всегда есть какой-то газ, он притягивается к черной дыре. Если газ ровно падает в черную дыру, он почти ничего не будет излучать, но если он немного вращался вокруг, то это движение будет становиться все более заметным по мере приближения газа к черной дыре. И, наконец, вблизи черной дыры может образоваться гравитационный диск — из-за трения газ разогревается до высокой температуры. У сверхмассивных черных дыр мы, как правило, видим оптическое и ультрафиолетовое излучение диска, а у более легких черных дыр звездных масс — рентгеновское излучение. В этом случае источником вещества является вторая звезда.
Звезды, особенно массивные, любят рождаться парами. Часто возникает ситуация, когда вещество с одной звезды перетекает на другую. Этим вторым объектом может быть компактный объект: белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Опять-таки образуется диск, и мы видим его излучение. Так были открыты первые хорошие кандидаты в черные дыры, например, знаменитый источник Лебедь Х-1. Но в подавляющем большинстве двойных систем этого перетекания вещества нет. Получается, что астрономы, ищут под фонарем — там, где проще найти. Мы видим те объекты, которые сами выдают свое присутствие мощным излучением.
Звезда — черная дыра: наблюдения за двойными системами
Когда люди вообще поняли, что могут существовать черные дыры, появилась простая идея. Представьте, жили-были две звезды. Одна превратилась в черную дыру. Но мы продолжаем видеть вторую звезду. Что они делают, если в связке образуют двойную систему? Вращаются вокруг общего центра масс. Тогда становится важным зафиксировать движение видимой звезды — получить ее спектр и по сдвигу спектральных линий, то есть по эффекту Доплера, заметить: звезда то движется к вам, то движется от вас. Это и есть вращение вокруг центра масс в двойной системе. Если вы докажете, что второй компонент достаточно массивный, имеет массу больше трех масс Солнца и невидим, тогда это может быть только черная дыра. Такая идея была выдвинута еще в начале 1960-х годов. Но тогда не удалось открыть ни одного объекта, и только в последние несколько лет стали появляться статьи, где ученые сообщают о том, что они увидели такую систему.
Наблюдения здесь довольно сложные. Потому что одновременно нужно доказать, что второй компонент на самом деле невидим, а не просто очень слабый. Это довольно трудно сделать, потому что первая звезда, чаще всего, яркая. Ее свет мешает разглядеть второй тусклый компонент. Затем важно доказать, что второй объект легкий и что это именно черная дыра, а не нейтронная звезда, белый или красный карлик.
До недавнего времени все хорошие кандидаты в итоге отбрасывались. Но в этом году, наконец, появилась работа, где, по всей видимости, люди на самом деле увидели такую неактивную черную дыру в двойной системе. Очень важно это открыть, потому что на настоящий момент мы не очень хорошо понимаем, какие звезды дают именно черные дыры, а какие — нейтронные звезды.
Также очень интересно узнать, какую скорость приобретают черные дыры при рождении. Эти данные позволят понять, как же происходил коллапс. Это очень сложный процесс, который мы пытаемся моделировать на компьютерах, но в мелких деталях пока это сделать не получается. Точнее, получается многими разными способами. Чтобы выбрать правильный, нам нужно сравнивать результаты с реальными данными.
Система распалась: наблюдения за одинокой черной дырой
Не все двигающиеся звезды указывают на присутствие рядом черной дыры — смещение должно быть достаточно большое. До недавнего времени не удавалось подобраться к таким звездам. К счастью, на орбите работает европейский спутник Gaia, задача которого — измерение точного положения звезд. Это дает нам возможность получить статистику по черным дырам и, в конечном счете, должно привести к гораздо лучшему пониманию того, как они возникают.
Если двойная система распалась, звезда взорвалась, то образуется ситуация хуже, чем с черной кошкой в черной комнате: черная дыра летает сама по себе в черном космосе. Но оказывается, что общая теория относительности дает нам возможность узнать о присутствии черной дыры. Это возможно благодаря эффекту гравитационного линзирования. Представьте, что мы наблюдаем за звездой, и ее блеск симметрично во всех спектрах начинает возрастать — значит, между нами и звездой пролетело какое-то массивное тело и искривило пространство-время. Проблема в том, что вероятность такого случая мала. Если вы хотите сделать красивое фото, например, самолет на фоне Луны, то просто направив фотоаппарат на небо, вы вряд ли сделаете такой красивый снимок. Но вероятность возрастет, если рядом с вами есть аэропорт и часто летают самолеты. Соответственно, для того, чтобы наблюдать эффект гравитационного линзирования, в некоем смысле, понадобится много лун — то есть, наблюдение за блеском огромного количества звезд.
В галактике около 400 млрд звезд, черных дыр — несколько сотен миллионов. Спустя много лет наблюдений наконец-то появились кандидаты в события, где мы идентифицируем присутствие одиночной черной дыры, которая ничего не делала, а просто летела, но случайно усилила свет далекой звезды и тем самым выдала себя. Это позволяет определить массу черной дыры, что важно для изучения того, как звезды заканчивают свою жизнь.
У нейтронных звезд типичная масса — полторы-две массы Солнца. У черных дыр обычно — семь-десять масс Солнца. Посерединке этих масс очень мало объектов. С помощью спутника Gaia, который засек эффект гравитационного линзирования, удалось обнаружить черную дыру, которая попадает в эту щель распределения по массам. Это крайне важно для понимания звездной эволюции и в конечном счете, возвращает нас к вопросу, какие же звезды превращаются в черные дыры.
Наблюдения за системой двух черных дыр
Сейчас самые экзотические астрономические наблюдения — это поиски гравитационно-волновых всплесков. Это лучший способ изучения черных дыр в большом количестве с точным определением масс. Массивные звезды в основном рождаются в двойных системах. Может сложиться такая ситуация, что обе звезды превратились в черные дыры, и системы выжила. Две черные дыры вращаются вокруг общего центра масс. Они теряют энергию за счет испускания гравитационных волн — это можно считать абсолютным трением искривления пространства. То есть энергия забирается у двойной системы, и черные дыры сближаются.
Чем ближе они подходят друг к другу, тем интенсивнее процесс испускания гравитационных волн. В итоге две черные дыры сливаются, и выделяется большое количество энергии, но в очень экзотической форме — в виде гравитационных волн. Только в XXI веке были созданы установки, которые реально позволили зафиксировать это явление. В сентябре 2015 года установки LIGO впервые зарегистрировали гравитационно-волновой всплеск слияния двух черных дыр. С тех пор было замечено уже 100 гравитационно-волновых всплесков.
Такие наблюдения позволяют определить еще один замечательный параметр — черные дыры сближаются несимметрично. Одна черная дыра может быть массивнее другой, направление осей вращения и скорость могут не совпадать. Поэтому гравитационные волны будут излучаться тоже несимметрично — они уносят энергию и импульс. А импульс должен сохраняться. Поэтому когда черные дыры сольются, а гравитационные волны куда-то унесут больше импульса, а куда-то меньше, черная дыра должна начать двигаться: полететь туда, куда улетело меньше импульсов, чтобы все компенсировать. Возникает вопрос: насколько быстро черная дыра может двигаться? Оказывается, очень быстро — тысячи километров в секунду. Причем все зависит от соотношения масс черных дыр и от того, как были направлены оси вращения.
Этот эффект гравитационно-волновой ракеты очень важен. Физики придумали его еще в 1960-е, а потом про него в 1990-е вспомнили астрофизики и поняли, что это реально можно наблюдать. Скорость в сотни тысяч километров в секунду, например, позволяет черной дыре вылететь из галактики и начать странствовать в межгалактическом пространстве. То есть оно вовсе не пустое, на самом деле его просторы бороздит большое количество черных дыр. Впервые это удалось доказать благодаря обработке данных установок LIGO.
Черная дыра в нашей галактике
Конечно, черная дыра не улетела, если бы образовалась прямо вблизи центральной черной дыры своей галактики. В этой области прямо вблизи любой центральной черной дыры звезды вращаются. В центре нашей галактики тоже находится черная дыра — она очень маленькая и легкая. Но на свое ближайшее окружение она действует сильно. Солнце не вращается вокруг центральной черной дыры, им управляет галактика, а звезды, которые находятся вблизи черной дыры, управляются ей. Это интересно, потому что черную дыру мы не видим. Нам доступно или вещество вокруг, или объекты. Звезды вращаются вокруг центральной черной дыры с каким-то орбитальным периодом. Долгое время самой известной звездой была та, что делала оборот вокруг черной дыры за 15 лет. То есть, чтобы получить хорошую информацию, нужно долго наблюдать. А где же звезды, которые находятся еще ближе к черной дыре? В центре галактики их трудно наблюдать, так как эта область сильно закрыта пылью.
Но инструменты наблюдения становятся более чувствительными, и поэтому постоянно ставятся рекорды. Обнаруживаются звезды, которые находятся все ближе и ближе к черной дыре. Была обнаружена звезда, делающая оборот за 9 с хвостиком лет. И, наконец, в этом году был поставлен еще один рекорд — ученые нашли звезду, которая делает оборот вокруг черной дыры всего за четыре года.
Это тоже очень интересно, поскольку, чем ближе мы подбираемся к черной дыре, тем сильнее все эффекты общей теории относительности проявляют себя. Но есть предел: если звезда подойдет слишком близко к черной дыре, то приливные силы просто разорвут ее. Вокруг черной дыры на короткое время возникает аккреционный диск, и до этого спокойная черная дыра становится активной — она начинает пожирать это вещество.
Изучать черные дыры очень сложно, но интересно. Последний год был богат на открытия в этой области. Резюмируя сказанное: по самым разным направлениям мы получаем много новой информации о черных дырах, причем даже о тех, которые раньше наблюдать было очень тяжело.