Когда сталкиваются черные дыры
Представьте ситуацию: по соседству с нами возникла совершенно новая, никому не знакомая черная дыра с массой 140 миллионов солнечных масс. Эта «дерзкая выскочка» в 35 раз массивнее черной дыры, которая правит бал в центре Млечного Пути. А теперь давайте познакомимся с реальным чемпионом: с черной дырой, чья масса составляет 18 миллиардов солнечных масс.
Чтобы попасть в первые ряды зрителей этого космического матча по боксу, вам надо (осторожно) приблизиться к объекту OJ 287 в центре галактики, находящейся на расстоянии 3,5 миллиарда световых лет от нас. Здесь более мелкая черная дыра вращается вокруг своего крупного противника. С каждым витком она все больше и больше приближается к нему с тем, чтобы полностью раствориться в его объятиях через 10 000 лет. Но пока у нас еще есть возможность полюбоваться восхитительным поединком.
Несмотря на то, что эта двойная система из черных дыр находится так далеко, OJ 287 выделяет достаточно энергии, чтобы быть видимой на небе так же хорошо, как и Плутон. Астрономы снимают ее на фотопластинки начиная с 1880-х годов, но впервые она привлекла внимание Маури Валтонена в обсерватории Туорла в Турку (Финляндия) почти столетие спустя. Группа астрономов под его руководством обратила внимание на то, что в отличие от других объектов в центрах галактик, которые вспыхивают и затухают спорадически, этот объект придерживался строгого расписания. Примерно через каждые 12 лет на его месте наблюдается вспышка. Интервал между вспышками становится короче на 20 дней с каждым циклом. За те несколько десятков лет, в течение которых мы наблюдаем эту картину, мы проделали большой путь к выяснению того, за счет чего это происходит.
Объект OJ 287 – это своеобразная витрина того, что происходит в галактиках по всей Вселенной. Галактики растут, поедая себе подобных, и почти все они имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики объединяются, их черные дыры либо вступают в схватку и борются до тех пор, пока одна из них не будет отброшена гравитационным толчком соперницы, либо они начинают по спирали приближаться друг к другу, пока не сольются в еще более крупную черную дыру.
Меньшая черная дыра в OJ 287 находится на пути полного слияния с более крупной черной дырой. Более массивная черная дыра растет также за счет окружающего диска из газа и пыли, которые постепенно оседают на ней. Каждый раз, когда менее массивная черная дыра заканчивает виток по орбите, она с грохотом проносится через этот диск на сверхзвуковых скоростях. Этот мощный удар раздувает пузырь горячего газа, который затем расширяется, истончается и испускает поток ультрафиолетового излучения. Даже если вы находитесь на расстоянии 36 световых лет от этого источника, вы загорите быстрее, чем на Земле от солнечных лучей.
Хотя эти вспышки и производят огромное впечатление, орбитальный танец черных дыр излучает энергию в десятки тысяч раз более мощную, чем волнообразные колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами (см. главу 4). Конец менее массивной черной дыры предрешен. Гравитационные волны уносят энергию с орбиты двойной системы, пара черных дыр сближается друг с другом, и каждый последующий виток становится короче.
В 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, США) предсказала, какова будет финальная стадия эволюции OJ 287. Дважды обсерватория регистрировала гравитационные волны от двойных систем, состоящих из черных дыр на конечных этапах эволюции, в которых каждая черная дыра в десятки раз превосходила Солнце, а затем оставался отголосок только от одной из них.
В системе OJ 287 черные дыры гораздо массивнее, и, как следствие, конечное слияние двух черных дыр в сердце объекта OJ 287 будет посылать гравитационные сигналы на частотах, слишком низких для приемников LIGO. Но конец будет таким же. Где бы на просторах Вселенной ни схлестнулись две черные дыры из двух различных галактик, в итоге останется только одна, самодовольная и надежно закрепившаяся в центре.
Интервью: фотографирование гигантов
Дэн Маррон – астроном из Обсерватории Стюарта Аризонского университета. Он является участником проекта «Телескоп горизонта событий», цель которого – сделать первый снимок черной дыры.
Черная дыра по определению черная. Как же вы хотите ее сфотографировать?
Если вы посмотрите непосредственно на черную дыру, она действительно будет выглядеть темной, поскольку свет она не испускает. Но вокруг нее вы увидите яркое кольцо, образованное фотонами, которым повезло не попасть внутрь черной дыры и которые пару раз проскользнули по краю. Нам представляется, что именно этот свет мы сможем увидеть в наш «Телескоп горизонта событий» (EHT, Event Horizon Telescope).
Телескоп EHT является «телескопом всей Земли». Как он работает?
В радиоастрономии, чтобы получить разрешение лучшее, чем от одного телескопа, вы записываете сигналы от многих телескопов по всему земному шару и складываете их друг с другом. У вас получается как бы один телескоп размером со всю Землю.
Какие черные дыры являются вашей целью?
Наша цель – Стрелец A*, сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики, а также черная дыра в центре M87, крупнейшей галактики в скоплении галактик Девы. С помощью телескопа размером с Землю и на частотах наших наблюдений мы можем наблюдать черные дыры именно такого размера.
Любое изображение черной дыры до сих пор было лишь плодом воображения художника. Совпадет ли реальность с ожиданиями?
Вопрос о создании образа на основании наших измерений – вопрос щекотливый. Цвета нашего изображения будут весьма условными и будут передавать лишь яркость изображения в том или ином месте. Наше изображение будет далеко не так красиво, как у художника. Галактика размывает свет, идущий к нам от черной дыры, поэтому многие особенности мы просто не увидим. Но любая картинка не разочарует нас – ведь мы увидим то, что никто еще никогда не видел.
А как насчет того, чтобы снять видеоролик, что-то типа фильма «Черная дыра»?
Да, мы сможем сделать это, если вокруг черной дыры что-то вращается, как мы и ожидаем. Если вокруг черной дыры вращается газ, то ему для падения на черную дыру понадобится от четырех до двадцати семи минут в зависимости от скорости вращения черной дыры. Если мы будем наблюдать несколько дней и увидим изменения в структуре, мы сможем представить это как видеоролик.
Что вы надеетесь узнать из этого изображения?
Будет важна сама возможность просто сфотографировать черную дыру и показать тень на том месте, откуда не может вырваться свет. Кроме того, нам нужно многое узнать о структуре черной дыры в нашей собственной галактике и о том, что происходит с черной дырой, когда ей не хватает «питательного материала», что, по-видимому, имеет место в Стрельце A*.
Мы также ожидаем, что сможем проверить общую теорию относительности, которая утверждает, что кольцо света вокруг черной дыры должно быть совершенно круглым. Если теория относительности не работает в таком мощном гравитационном поле, где гравитация достигла своих пределов, тогда кольцо света не будет совершенно круглым.
