Черные дыры, рожденные смертью звезд

Наука опирается на взаимодействие теории и наблюдения. За тысячелетия люди предлагали множество оригинальных объяснений устройства Вселенной, но без данных, полученных путем наблюдения, даже самая умная мысль останется умозрительной. Есть ли свидетельства того, что во Вселенной масса способна исчезнуть из вида?

Трудно представить черные дыры, но они реальны. После почти 50 лет исследования конечных стадий жизни звезд это точно известно. Изолированная черная дыра совершенно невидима. Создаваемый ею разрыв пространственно-­временного континуума настолько мал, что не выявляется никаким телескопом. Однако в большинстве своем звезды — это двой­ные или кратные системы, и видимая звезда может дать информацию о своей темной спутнице.

Силы света и тьмы

Трудно поверить, глядя на Солнце, что перед вами разворачивается титаническая битва сил света и тьмы. День за днем и год за годом Солнце кажется практически неизменным, но оно испускает частицы, мчащиеся с огромной скоростью, и постоянно выбрасывает облака плазмы размером с планету; по сути это ядерная печка с термостатическим управлением. В каждой точке Солнца сохраняется равновесие между направленной внутрь гравитацией и направленным вовне теплом, генерируемым в результате слияния ядер водорода в ядра гелия. Пока есть топливо для реакции синтеза, силы будут равны.

Если хотите поставить на долгосрочный исход этой битвы, ставьте на гравитацию. Запасы ядерного топлива ограниченны, а гравитация вечна. Когда в таких звездах, как Солнце, кончается водород, внутреннее давление исчезает и ядро звезды начинает коллапсировать до более горячего и плотного состояния, при котором из гелия может синтезироваться углерод. Реакция происходит быстро, и, когда гелия не остается, температура более не поднимается, а без этого не происходит запуска новых реакций слияния ядер. Без давления, поддерживающего стабильность, ядро звезды снова испытывает гравитационный коллапс. Израсходовав последнее топливо, Солнце переживет короткую фазу сияния, сбросив около трети своей массы в виде газовой оболочки, разлетающейся со сверхзвуковой скоростью. Быстро движущийся газ будет нагреваться и светиться, формируя красивейшую яркую планетарную туманность. Наблюдатель, смотрящий на Солнце из другой звездной системы с расстояния 5 млрд световых лет, увидит потрясающее световое шоу. Однако наблюдателям с Земли не поздоровится: выброс газа испарит биосферу и уничтожит все живое на планете.

Жизнь и смерть звезды зависят от ее массы (илл. 10). Судьбы звезд предопределены с рождения. В зависимости от массы звезды становятся белыми карликами, нейтронными звездами или черными дырами. Не существует «типичной» массы или величины, хотя процесс формирования звезд из неупорядоченных облаков газа порождает гораздо больше мелких звезд, чем крупных. Солнце тяготеет к нижнему краю диапазона масс, под ним располагаются тусклые красные карлики. Красных карликов в несколько сот раз больше, чем солнцеподобных звезд. Продолжительность жизни звезды также зависит от массы, поскольку гравитация определяет температуру ядра, от которой, в свою очередь, зависит скорость протекания термоядерных реакций и, соответственно, временной резерв топлива. Звезда, подобная Солнцу, синтезирует гелий из водорода в течение 10 млрд лет; мы находимся в середине этого периода. Продолжительность жизни звезды в половину солнечной массы — 55 млрд лет, поэтому в истории Вселенной, которой всего 14 млрд лет, еще не умирала ни одна такая звезда. Красный карлик в одну десятую массы Солнца — минимальная масса для звезды, способной осуществлять реакции термоядерного синтеза, — расходует топливо ничтожными порциями. Такая звезда теоретически проживет свыше триллиона лет — и это невообразимо долго. Тем не менее карликовая звезда лишь оттягивает неизбежное, поскольку однажды и она израсходует топливо, тусклый свет погаснет, и гравитация получит свое.

Звезды массивнее Солнца живут меньше и ярче. Они ведут себя так же, как Солнце в данный момент, — синтезируют ядра водорода в ядра гелия, но их гравитация сильнее, соответственно, температура ядра выше, и топливо расходуется с бешеной скоростью. Чем массивнее звезда, тем горячее ее ядро и короче жизнь. Массивные звезды могут пустить на реакцию синтеза все элементы периодической таблицы, вплоть до железа — самого прочного элемента. На железе реакции синтеза прекращаются, и ядро звезды переходит в причудливое физическое состояние: в плазму из атомов железа в 100 раз плотнее воды и при температуре миллиард градусов. В отсутствие давления изнутри ядро коллапсирует, и направленная внутрь волна сжатия порождает противоположно направленную волну — выброс с температурой несколько миллиардов градусов, в котором за доли секунды синтезируются тяжелые элементы, вплоть до урана. Появление сверхновой звезды — одно из самых ярких событий во Вселенной. Драгоценные металлы, выброшенные в космос, сформируют новое поколение звезд и планет. Значительная часть исходной массы звезды извергается в пространство, но остатки сжимаются безжалостными тисками гравитации.

Гравитация и тьма окончательно побеждают

Остатки звезды — крайне странное состояние материи. Мы не можем воссоздать его в лаборатории. Остается лишь теоре­тизировать, опираясь на законы физики, и надеяться, что наши теории достаточно основательны. Лучшие умы среди астрофизиков XX в. пытались разобраться в природе остатков звезд.

Итог эволюции звезды зависит от ее массы на момент начала жизни. Звезды рождаются в результате фрагментации и коллапса больших облаков газа, и малых звезд будет много больше, чем массивных. Все звезды, взрослея, теряют некоторую долю массы. Это сложные процессы, поэтому нельзя четко разграничить значения масс, определяющих судьбу звезды. Молодые звезды с массой меньше 8 солнечных коллапсируют в необычайно плотное состояние материи — это так называемые белые карлики. Большинство звезд менее массивны, чем Солнце, поэтому свыше 95% звезд ждет именно такой финал. Например, на последней, ярчайшей стадии своей жизни Солнце сбросит около половины своей массы — и умрет белым карликом.

В 1783 г. английский астроном Уильям Гершель случайно открыл звезду, получившую название 40 Эридана В, но он не мог измерить ее размер и потому не понял, что она необычна. В 1910 г. астрономы снова сосредоточили свое внимание на этой тусклой звезде, входящей в двой­ную систему. Судя по орбите, ее масса должна быть примерно такой же, как у Солнца. Ученые знали расстояние до звезды и высчитали, что она в 10 000 раз тусклее, чем было бы Солнце на такой же дистанции. Однако она была белой — следовательно, горячее Солнца. Чтобы понять, почему это странно, представьте, что смотрите на нагревательные элементы электроплитки в темном помещении. Одна конфорка включена на слабый нагрев и светится оранжевым, как Солнце. Другая, включенная на максимум и значительно более горячая, светится белым. Белая конфорка намного ярче оранжевой. Чтобы белая конфорка казалась гораздо тусклее оранжевой, она должна быть намного меньше. По той же логике тусклая звезда в системе 40 Эридана должна быть значительно меньше Солнца. При той же массе, что и у Солнца, она должна иметь еще и значительно большую плотность.

Эрнст Эпик вычислил, что плотность 40 Эридана В в 25 000 раз больше солнечной, и назвал ее «невозможной». Артур Эддингтон, популяризатор термина «белый карлик», описал поразительную реакцию на обнаружение подобного объекта: «Мы узнаем о звездах, получая и интерпретируя сообщения, которые несет нам их свет. Сообщение… когда оно было расшифровано, гласило: “Я состою из вещества, которое в 3000 раз плотнее всех известных вам веществ; тонна моего вещества была бы кусочком, помещающимся в спичечный коробок”. Что можно ответить на подобное сообщение? “Замолчи. Хватит нести чушь”, — вот что ответило большинство из нас в 1914 г.».

Эддингтон не страдал излишней скромностью. Услышав от коллеги: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один всего лишь из трех человек в мире, понимающих теорию относительности», — он промолчал. «Не скромничайте», — стал убеждать коллега, и Эддингтон ответил: «Напротив, я пытаюсь понять, кто мог бы быть третьим». Хотя Эддингтон был блестящим астрофизиком и предсказал обнаружение белых карликов, он назвал их «невозможными звездами».

Типичный белый карлик имеет размер Земли, но массу Солнца. Его плотность в миллион раз выше плотности воды. Ввиду отсутствия термоядерных реакций нет энергии, соответственно, нет давления изнутри наружу, и гравитация сдавливает газ, разрушая структуру атома и образуя плазму из несвязанных ядер и электронов. Лишь тогда гравитация наконец встречает противодействие. В 1925 г. Вольфганг Паули постулировал принцип запрета, гласящий, что никакие два электрона не могут иметь совершенно одинаковый набор квантовых свой­ств. Следствием принципа Паули является возникновение давления, препятствующего дальнейшему коллапсу остатков звезды. Белый карлик образуется при температуре до 100 000 кельвинов и постоянно излучает тепло в окружающее пространство, пока не израсходует его. А затем гаснет и погружается во тьму.

Субраманьян Чандрасекар, в то время 19-летний студент Кембриджа, получавший стипендию правительства Индии, вычислил, что независимо от исходной массы звезды оставшийся от нее белый карлик не может быть массивнее примерно 1,4 массы Солнца. При большей массе гравитация берет верх над квантовой механикой и звезда коллапсирует в сингулярность. Максимальная масса белого карлика называется пределом Чандрасекара. Это были блестящие расчеты, и можно понять разочарование Чандрасекара, когда его кумир Артур Эддингтон публично высмеял идею коллапса в сингулярность. Чандрасекар был унижен — он счел, что выпад отчасти носит расистский характер. Мы привыкли считать науку областью меритократии, но ученые тоже бывают завистливыми и недальновидными. (Пионер квантовой механики Поль Дирак, столкнувшийся с похожим давлением, метко заметил, что наука развивается в ритме «одни похороны за раз».) Но Чандрасекар оказался прав и удостоился Нобелевской премии по физике за открытия в области строения и эволюции звезд.

Чандрасекар указал физикам путь к пониманию того, что происходит со звездой, коллапсирующей за пределы состояния белого карлика. Через несколько лет калифорнийские астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки почти случайно предположили, что за пределом Чандрасекара звезда может коллапсировать в чистое нейтронное вещество, но не сделали никаких вычислений в поддержку своей идеи. В 1939 г. Роберт Оппенгеймер, тяжелый в общении человек и заядлый курильщик, выполнил математические расчеты и вместе со своим магистрантом определил диапазон масс нейтронных звезд. В том же году, как мы уже знаем, он доказал, что, если остатки звезды выходят за верхнюю границу этого диапазона, составляя больше 3 масс Солнца, должна образоваться черная дыра.

Перед смертью все звезды теряют массу. Как вы помните, прежде чем стать белым карликом, Солнце лишится половины своей массы. Все звезды, начинающие жизнь с массой до 8 солнечных, станут белыми карликами — до 1,4 солнечной массы. Если начальная масса звезды составляет примерно от 8 до 25 солнечных, то коллапс ее ядра продолжается до тех пор, пока все протоны и электроны не сольются в чистое нейтронное вещество. В отсутствие электрической силы нейтроны располагаются плотно, как яйца в картонке. Дальнейшему коллапсу вещества противостоят ядерные и квантовые силы, что не дает белому карлику сжиматься еще больше. Это нейтронная звезда, самая маленькая и плотная звезда во Вселенной. Ее масса превышает 25 солнечных масс. Поприветствуйте потенциальное чудовище Эйнштейна (илл. 11).

Нейтронную звезду очень трудно представить. Это некое атомное ядро величиной с большой город, его атомное число — 1057. Его вещество в тысячу триллионов раз плотнее воды. Вещество белого карлика размером с кубик сахара-­рафинада, доставленное на Землю, будет весить тонну, но такой же кубик вещества нейтронной звезды весил бы на Земле как гора Эверест. Когда звезда так сильно коллапсирует, магнитное поле также сдавливается и уплотняется. У некоторых нейтронных звезд магнитное поле может превышать земное в тысячу триллионов раз. Гравитация у поверхности настолько сильна, что тело, падающее с высоты 1 м, в момент удара с поверхностью достигнет ускорения 1,3 млн м/с. В силу закона сохранения момента импульса нормальное спокойное вращение солнцеподобной звезды вокруг своей оси значительно ускоряется при коллапсе. Самые быстрые нейтронные звезды совершают 716 оборотов в секунду — или 42 000 в минуту. Вращающееся с такой скоростью твердое тело не вполне стабильно, и под его корой может произойти катастрофическое событие — звездотрясение.

Как обнаружить нейтронную звезду? Звезды размером с мегаполис излучают очень мало света, поскольку, в отличие от нормальных звезд, в них не происходят реакции термоядерного синтеза. Около 20 лет ученые считали их астрономической диковинкой — умозрительными объектами, которые никогда не удастся обнаружить. В 1967 г. молодая магистрантка Джоселин Белл и ее научный руководитель Тони Хьюиш зарегистрировали радиоимпульсы периодичностью 1,3373 секунды, поступающие от неизвестного объекта в созвездии Лисички. Импульсы были настолько мощными и регулярными, что Белл и Хьюиш приняли объект за радиомаяк и в шутку назвали его LGM-1 (от Little Green Men — «маленькие зеленые человечки»). Вскоре были открыты другие «пульсары», и Белл и Хьюиш связали их с более ранними предсказаниями существования нейтронных звезд. Мощное магнитное поле вызывает радиоизлучение горячих пятен на поверхности нейтронной звезды, и, если пучки излучения вращающейся нейтронной звезды попадают в зону обзора радиотелескопа, их можно наблюдать.

Спустя семь лет разразилась полемика: Нобелевскую премию за открытие пульсаров присудили Хьюишу и Мартину Райлу, главе радиообсерватории, а не Джоселин Белл — реальному автору открытия. Ученое сообщество в большинстве своем полагало, что ее обошли, так как она была молодой женщиной. В области физики Нобелевской премии удостоились чуть больше 200 ученых, и среди них только две женщины: Мария Кюри (1903 г.) и Мария Гёпперт-­Майер (1963 г.).

С помощью радиотелескопов постепенно было обнаружено более 3000 пульсаров. Однако условия появления горячих пятен крайне редки, и немногие нейтронные звезды являются радиопульсарами. В основном миллионы нейтронных звезд в нашей Галактике безмолвно вращаются в дальнем космосе, темные и недоступные для наблюдения.

Поиски первого черного лебедя

Это случилось в 1964 г. The Beatles покоряют Америку, а дерзкий молодой боксер Кассиус Клей становится чемпионом мира в тяжелом весе. Наука также переживает бурное развитие. Термин «черная дыра» впервые появился в публикации в январе 1964 г., а в июне маленькая ракета для исследования верхних слоев атмосферы, запущенная из Нью-­Мексико, обнаружила мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. «Черными лебедями» называют редкие неожиданные события, играющие огромную роль в развитии науки. (Термин также используются философами, обсуждающими проблему индукции: наличие стаи белых лебедей не является доказательством того, что черных лебедей не существует.) Семь лет изысканий ушло на то, чтобы поймать первого «черного лебедя» в физике черных дыр.

В 1960-х гг. рентгеновская астрономия была новой научной областью. Высокоэнергетическое излучение космических источников регистрируется только в космосе, первый источник был обнаружен всего двумя годами раньше. Восемь источников, выявленных в ходе наблюдений 1964 г., соответствовали по своим характеристикам остаткам сверхновых звезд, то есть горячему газу, образующемуся при катастрофической смерти массивной звезды. Наблюдения, приведшие к открытию, показывали низкую пространственную разрешающую способность и позволили сузить область локализации источника рентгеновского излучения в Лебеде лишь до размеров самого созвездия. В 1970 г. орбитальная рентгеновская обсерватория Uhuru обнаружила, что интенсивность Лебедя Х-1 меняется менее чем за одну секунду. Для измерения размеров удаленных объектов астрофизики используют время, исходя из того, что изменение интенсивности излучения не может занимать меньше времени, чем нужно свету, чтобы пересечь источник света. Вариации интенсивности Лебедя Х-1 говорили о том, что объект не может превышать 100 000 км в поперечнике — менее одной десятой размера Солнца.

Национальная радиоастрономическая обсерватория точно определила положение объекта в небе, что позволило соотнести источник переменного рентгеновского излучения с голубым сверхгигантом HDE226868. Сверхгиганты — это горячие звезды, однако они не способны на мощное рентгеновское излучение. Оставалось единственное объяснение: что-то в этой области пространства нагревало газ до температуры в миллионы градусов. Следующим смелым шагом стало использование оптических методов наблюдения. В 1971 г. две группы ученых изучили спектр голубого сверхгиганта и обнаружили периодические вариации доплеровского сдвига излучения звезды, соответствующие вариациям рентгеновского излучения. Расчеты параметров орбиты позволили ученым оценить массу «невидимого» компаньона, втягива­ющего сверхгигантскую звезду. Ученые предположили, что черная дыра поглощает газ своей спутницы-­звезды и что этот газ каким-то образом нагревается до такой степени, что его излучение обнаруживается в рентгеновском диапазоне (илл. 12).

Астроном Том Болтон сильно нервничал, готовясь представить эти результаты на конференции Американского астрономического общества в Пуэрто-­Рико. Ему было всего 28 лет. «За пять минут до подачи статьи я еще переделывал ее на коленке. Сидя в дальнем углу, я пытался получить свежие данные для графика», — вспоминал он. Чувствовалось и давление конкурентов. Всего год назад он стал доктором философии и работал один. Более опытная команда Гринвичской королевской обсерватории при помощи своего большого телескопа получала аналогичные данные по Лебедю Х-1. Необходимо было проявить крайнюю осторожность в интерпретациях, поскольку в прошлом ошибочные утверждения об обнаружении черной дыры стоили некоторым научной карьеры. За год Болтон собрал доказательства и поставил на кон свою репутацию. Он представил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне, где когда-то трудились Эйнштейн и Оппенгеймер. Наблюдения были проверенными. Аудиторию удалось убедить. Первый «черный лебедь» был найден!

К концу 1970-х гг. черные дыры проникли в массовую культуру. Их странные свой­ства впечатлили тех, кто вообще не интересовался астрономией. Студия Disney выпустила фильм «Черная дыра», и впервые в истории компании фильму присвоили рейтинг PG — слишком страшной оказалась тематика. Низкотехнологичный и местами слабый — для своего времени это был смелый проект, сделавший черные дыры прообразом смерти и преображения. Попсовая наивность The Beatles переродилась в агрессивный рок. Rush, Queen, Pink Floyd — все они отдавали дань астрофизике.

Как взвесить невидимого партнера по вальсу

Судьбу любой звезды определяет ее масса. Масса свидетельствует о запасах топлива для реакций термоядерного синтеза. Масса определяет и гравитацию звезды, следовательно, ее размер, внутреннюю температуру и давление, тип термоядерной реакции и ее скорость — все это задается одним числом. Любое утверждение об обнаружении черной дыры должно опираться на надежную оценку массы. К сожалению, масса еще и самый сложный для измерения показатель. Данные визуального наблюдения позволяют оценить яркость и температуру поверхности, но, чтобы измерить расстояние до звезды и, следовательно, ее светимость, нужны отдельные наблюдения, после чего необходимо построить модель звезды, чтобы вывести массу.

Одиночная черная звезда, скрывающаяся в глубоком космосе, имеет громадную массу, но сама по себе она не может быть обнаружена. К счастью, больше половины звезд входят в двой­ные или кратные системы. Согласно закону тяготения Ньютона, два тела притягиваются друг к другу с равной силой. Они вращаются вокруг общей точки — центра масс, — относительно которой всегда занимают противолежащее положение. Представьте двоих, которые кружатся, взявшись за руки. Если они одного веса, то вращаются по орбите вокруг точки в центре между ними. Но если взрослый кружится с ребенком, то центр вращения смещен в сторону взрослого — можно сравнить это с метанием молота (на этом мы оставим аналогии). То же со звездами. Две звезды равной массы обращаются по орбитам на равном расстоянии от центра масс. Если массы не равны, более массивная звезда находится ближе к центру масс, а менее массивная имеет большее ускорение и быстрее движется по большей орбите (илл. 13).

Таков общий принцип. Теперь добавим математику. При круговой орбите скорость равна окружности, деленной на время прохождения всей орбиты, или период. Измерив период и скорость обращения, можно получить радиус орбиты. Ньютоновский вариант третьего закона движения Кеплера связывает массу двух звезд на орбите с размером и периодом орбиты. Это четыре переменные, и нужно измерить три из них. Таким образом, в системе двой­ных звезд с одной видимой звездой и одним невидимым компаньоном мы должны измерить массу видимой звезды, чтобы вычислить массу темного тела. Как это сделать?

В танцевальном зале темно. Женщина в белом. Мужчина в черном. При тусклом боковом освещении женщину можно разглядеть, но мужчина невидим. Они кружатся по залу. По тому, как движется женщина, мы понимаем, что ее обнимает невидимый партнер. Двой­ные звезды находятся в подобных тесных «объятиях» и так же «не замечают» окружающей Вселенной. Если пара звезд сильно разнесена и находится не слишком далеко от Земли, мы можем увидеть обе звезды и просто пронаблюдать за их движением, чтобы измерить орбиту. Это визуально-­двой­ные звезды. Гораздо чаще звезды находятся далеко, и астрономы не видят их как отдельные тела, но спектроскопия показывает, что линии поглощения каждой звезды попере­менно сдвигаются в сторону более длинных и более коротких длин волн, демонстрируя периодическое доплеровское смещение, вызванное орбитальным движением. Это спектрально-­двой­ные звезды. Если один из компонентов двой­ной системы является черной дырой, приходится работать с неполной информацией, поскольку на спектрограмме видны только линии поглощения видимой звезды.

Как и в случае с танцующей парой, движение видимой звезды указывает на движение невидимой спутницы. Есть, однако, две серьезные проблемы. Во-первых, нам нужно узнать массу видимой звезды. То есть определить расстояние до двой­ной системы, чтобы вычислить светимость, или количество фотонов, излучаемых звездой каждую секунду. Затем эти показатели, а также температура поверхности звезды (определяемая по ее цвету) и ускорение силы тяжести на ее поверхности (определяемое по форме линий спектра) загружаются в сложную модель структуры звезды и производства энергии в ней — и мы получаем ожидаемую массу.

Во-вторых, проблемой является наша точка наблюдения. Спектроскопия измеряет доплеровское смещение, то есть круговое движение навстречу наблюдателю — или от него. В полной мере этот эффект проявляется, если мы наблюдаем двой­ную систему «с торца» — когда орбита перпендикулярна плоскости неба, — поскольку при каждом прохождении орбиты одна звезда движется строго навстречу нам, а другая — строго от нас. Если же двой­ная система расположена плашмя — орбита лежит в плоскости неба, доплеровский эффект не обнаруживается, поскольку все перемещения происходят в поперечном направлении. Двой­ные системы в космическом пространстве ориентированы случайным образом, и тут возникает дополнительная сложность — мы не знаем угол наклона. Но есть и плюсы: при всех углах наклонения доплеровское смещение занижает орбитальную скорость, поскольку, как правило, частично движение идет не по лучу зрения. Поэтому, вычисляя массу звезды, астрономы, как правило, могут определить только ее нижнюю границу. Но этого достаточно, поскольку наша цель — доказать, что у невидимого компаньона есть минимальная масса и потому он является черной дырой.

Подлинные черные дыры

Слово «астрономия» ассоциируется у нас с удивительными изображениями, полученными космическим телескопом «Хаббл». Но многие открытия при исследовании Вселенной были сделаны благодаря спектроскопии — методу разложения света на составляющие цвета. Спектр помог Ньютону понять природу света. В начале 1800-х гг. молодой ученый Йозеф Фраунгофер, выросший в приюте под присмотром сурового наставника, едва не погибший при взрыве стекольной фабрики, где он работал, впервые детально рассмотрел солнечный спектр и обнаружил в нем данные, говорящие о химическом составе Солнца. Сто лет спустя группа низкооплачиваемых сотрудниц Обсерватории Гарвардского колледжа занялась просмотром тысяч спектров на фотографических пластинках, чтобы собрать информацию и понять, из чего состоят звезды и каков реальный размер Вселенной.

За свою карьеру астронома я просматривал тысячи спектров, и в каждом ждали головоломка или сюрприз. Это ключевой инструмент измерения расстояния до звезды и определения ее химического состава, он дает возможность заглянуть в центры галактик, где протекают мощнейшие процессы. Каракули, возникшие на экране после ночи астрономических наблюдений, нарисованы светом, попавшим в телескоп, разделенным спектрографом на тонкие полосы и падающим на кремниевый полупроводниковый приемник света, или ПЗС-матрицу. ПЗС-матрица обращает фотоны в электроны, а затем — в электрический сигнал, который преобразуется в карту интенсивностей на разных длинах волн.

Однажды ночью на Гавайях на вершине потухшего вулкана Мауна-­Кеа (4200 м над уровнем моря) я вел наблюдения через телескоп. Данные ПЗС-матрицы были представлены в виде горизонтальных полос на экране компьютера. Мое внимание привлекла одна бледная полоса. Темные промежутки на цифровом анализаторе спектра указывали на дальнюю галактику, состоящую из тех же элементов, что и Млечный Путь. Я мог представить ее вращение, тип звезд, из которых она состояла, и количество газа в меж­звездном пространстве. Красное смещение спектральных линий говорило о том, что галактика находится в 10 млрд световых лет и что этот свет начал свой путь сюда задолго до формирования Земли. Я знал, что, излучая свет, эта тусклая галактика удалялась от Млечного Пути быстрее скорости света из-за стремительного расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Поскольку Вселенной управляет общий, а не специальный принцип относительности, пространство может расширяться быстрее скорости света! К стыду своему, в тот момент я даже не восхитился тем фактом, что в моем распоряжении были такие данные о Вселенной. Я редко ставил под сомнение логику рассуждения и основы научного метода, ставшие фундаментом всего того, что я знал.

Спектроскопия — ключ к пониманию двой­ных звезд и их орбит. Она позволяет астрономам достаточно точно измерять массу невидимого компаньона двой­ной системы — что подтверждает реальность чудовищ Эйнштейна. Существует не так много «патентованных» двой­ных систем, где невидимый компонент имеет достаточную массу, чтобы являться черной дырой, и любая другая гипотеза их не объясняет. Давайте ближе познакомимся с эталонным объектом — Лебедем Х-1.

На летнем земном небе мы видим созвездие Лебедя, парящее высоко над нашими головами. Сосредоточимся на области возле центра креста, образующего тело лебедя. В хороший бинокль можно разглядеть бело-голубую звезду в неплотной группе горячих молодых звезд, сформировавшихся одновременно. Пять миллионов лет назад, когда наши предки-­приматы образовали новую ветвь на древе эволюции, эти звезды сгустились из коллапсирующего облака газа и пыли. Интересующая нас бело-голубая звезда находится в 6000 световых лет возле края соседнего спирального рукава Млечного Пути. Это колоссальное расстояние — 32 000 трлн км. Звезда должна быть чрезвычайно яркой — чтобы мы легко увидели ее с такого расстояния, и излучать в 400 000 раз больше энергии, чем Солнце. Это старый свет. Он покинул звезду, когда на нашей планете проживало менее миллиона человек, а в Северной Америке не совсем вымерли мамонты.

Мы осторожно подкрадываемся к добыче. На том же расстоянии, что от Земли до Солнца, звезда казалась бы ослепительно яркой, в 20 раз больше Солнца — шириной с ладони вытянутых рук. Этот голубой сверхгигант находится на орбите с периодом обращения шесть дней в паре с почти невидимым компаньоном, и расстояние между ними меньше, чем между Меркурием и Солнцем. Однако компаньон не совсем темный. Голубой сверхгигант — термоядерный реактор чудовищной мощи, извергающий в космос плазменный ветер из верхних слоев своей атмосферы. Часть этого вещества притягивается компань­оном, закручиваясь в диск, состоящий из чрезвычайно горячего газа. При температуре свыше миллиона градусов газовый диск испускает мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Гравитация компаньона деформирует внешнюю оболочку сверхгиганта, придавая ей форму капли, узкий конец которой направлен в сторону компаньона. Если бы мы двинулись в указанном направлении и приблизились к вращающемуся диску, который свидетельствует о наличии компаньона, то увидели бы в центре диска маленькую и совершенно темную точку — черную дыру (илл. 14).

Это умозрительное описание, мы никогда не наблюдали ни этой, ни любой другой черной дыры вблизи. Тем не менее Лебедю Х-1 посвящено больше сотни научных статей, это один из самых активно изучаемых объектов в небе. Орбитальный период был измерен с изумительной точностью: 5,599829 дня с погрешностью одна десятая секунды. Нужно знать массу и наклон орбиты сверхгиганта, чтобы рассчитать массу его компаньона. Спектроскопия и детальное моделирование показывают, что HDE226868 примерно в 40 раз массивнее Солнца. Измерить наклонение орбиты сложнее, поскольку темный компаньон никогда не оказывается позади видимой звезды, иными словами, в системе не наблюдаются затмения. Недавняя работа оценивает наклонение в 27 градусов, из чего следует, что масса темного компаньона в 15 раз больше, чем у Солнца. Это намного больше максимальной массы звездных остатков для образования нейтронной звезды; гравитация настолько сильна, что этот компактный компаньон может быть только черной дырой. Никакие неопределенности данных и моделирования не влияют на достоверность вывода. К 1990 г. Стивен Хокинг счел его достаточно весомым, чтобы прикатить в кабинет Кипа Торна в Калтехе и подписать на стене договор, признав себя проигравшим.

Звезды достаточно массивные, чтобы умереть черными дырами, очень редки. Галактика Млечный Путь содержит около 400 млрд звезд, большинство из них — это тусклые красные карлики, гораздо менее массивные, чем Солнце. На основании немногочисленных подтвержденных данных о существовании черных дыр в окрестностях Солнца мы можем оценить общее их количество во всей Галактике примерно в 300 млн. Несколько десятков «патентованных» экземпляров — это бесконечно малая доля от общего числа черных дыр, которое, в свою очередь, составляет ничтожно малую часть всех звезд.

За последние лет десять эксперты опубликовали списки из 25–30 «патентованных» кандидатов в черные дыры. Их число растет медленно — ввиду специфических стандартов. Все они входят в двой­ные системы с орбитами, измеренными с предельной точностью: если темные компаньоны имеют массу больше трех солнечных, то они должны быть черными дырами. В каждом случае гипотеза подкрепляется дополнительными свидетельствами. Эти черные дыры в 6–20 раз массивнее Солнца, а их орбитальные периоды составляют от целого месяца до всего лишь четырех часов. Две черные дыры были найдены в ближайшей соседке Млечного Пути — галактике Большое Магелланово Облако: LMC X-1 и LMC X-3, обе удалены на 165 000 световых лет. Все остальные находятся на расстоянии от 4000 до 40 000 световых лет от Земли. Еще для 30 систем необходимо собрать более точные данные, чтобы включить их в список подлинных черных дыр.

Использование гравитационной оптики

До сих пор в нашем рассказе возможность обнаружить черную дыру зависела от двой­ной звездной системы, в которой черная дыра является невидимым партнером. Однако есть метод обнаружения даже одинокого «темного танцора». Он основан на главном положении общей теории относительности — отклонении света любой массой. Поскольку масса искривляет свет, звезда или галактика может фокусировать и усиливать свет более отдаленного источника. Это явление называется гравитационным линзированием. Оно было предсказано вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию, но впервые наблюдалось лишь в 1979 г., при получении двух изображений одного квазара: раздвоение было обусловлено скоплением галактик, пересекающим линию наблюдения.

Линзирование — не столь заметный эффект: одинокая звезда недостаточно массивна, чтобы существенно искривить свет. В 1919 г. Эддингтон измерил отклонение света дальней звезды, проходящего мимо края солнечного диска, и получил две угловые секунды — одну тысячную углового диаметра Солнца. Линзирование еще и редкий эффект, наблюдать его очень сложно. Межзвездное пространство обширно, и сближение в нем двух тело маловероятно. Шансы составляют один на миллион, следовательно, ради одного события, возможно, придется наблюдать за миллионом звезд. Если ближняя звезда проходит непосредственно перед дальней, эффект называется микролинзированием. При микролинзировании угол отклонения луча света слишком мал, чтобы наблюдалось раздвоение объекта, но имеет место гравитационное усиление света фоновой звезды. Наблюдатель видит временное увеличение яркости фоновой звезды, когда перед ней проходит звезда ближнего плана. Чем тяжелее ближняя звезда, тем дольше наблюдается эффект. Поскольку линзирование определяется массой, а не светимостью, временное увеличение яркости происходит и в том случае, если ближняя звезда — линза — вообще не излучает света (илл. 15). Это единственный способ обнаружить изолированную черную дыру.

Преимуществом микролинзирования является то, что это простой и прямой метод. В случае с двой­ной звездной системой есть две массы, которые нужно измерить, наклонение орбиты — часто неизвестно и параметры, получаемые опосредованно при помощи спектроскопии. Линзирование требует единственного уравнения, связывающего увеличение яркости с массой и расстоянием до линзы. При типичных массах черных дыр увеличение яркости длится сотни дней, поэтому его легко заметить. Недостаток метода состоит в том, что увеличение яркости — это однократное событие, в отличие от постоянного орбитального движения двой­ной системы, позволяющего в дальнейшем получить больше данных. Когда черная дыра проходит перед отдаленной звездой, их можно сравнить с кораблями, расходящимися в ночи. Сигнал не повторяется. Еще важнее то, что в уравнении линзирования участвуют удаленность и масса, следовательно, если нет дополнительной информации, позволяющей вычислить расстояние, масса остается неопределенной.

Охотиться за черными дырами методом микролинзирования — словно искать иголку в стоге сена. Исследования на основе этого метода были разработаны с целью поиска MACHO — массивных компактных гало-объектов, возможно, объясняющих феномен «темной материи», которой в нашей Галактике в шесть раз больше по массе, чем обычной материи. Это могут быть любые объекты, темные или очень тусклые, как черные дыры, нейтронные звезды, коричневые карлики (объекты дозвездной массы) или свободнолетящие планеты. Микролинзирование не помогло обнаружить MACHO, но исследования, целью которых был поиск темной материи, ­все-таки нашли (немногочисленные) черные дыры. Одна звезда из миллиона подвергается микро­линзированию, но лишь 1% из этой выборки линзируется черными дырами, следовательно, чтобы обнаружить одну-две черные дыры, необходимо отслеживать несколько сотен миллионов звезд. Польская исследовательская группа изучила данные десятилетних наблюдений через 1,3-метровый телескоп и выявила трех убедительных кандидатов в черные дыры из миллиардов фотометрических измерений 150 млн звезд. Вот это целеустремленность!

Физика на краю Мальстрема

Главный герой рассказа Эдгара Алана По «Низвержение в Мальстрем», написанного в 1841 г., — молодой человек, резко постаревший в ожидании вероятной смерти в водовороте у берегов Норвегии. Один из его братьев гибнет в бездне, второй сходит с ума от увиденного. Только рассказчик выживает, чтобы поведать о случившемся. Он с содроганием вспоминает: «Водоворот этот был опоясан широкой полосой сверкающей пены; но ни один клочок этой пены не залетал в пасть чудовищной воронки: внутренность ее, насколько в нее мог проникнуть взгляд, представляла собой гладкую, блестящую, черную, как агат, водяную стену…»

Вымышленный рассказчик По видит в этом водовороте странную и ужасную красоту. Нечто подобное можно испытывать, наблюдая черные дыры. Чудовища Эйнштейна страшны и чарующи. По краям водоворота кружатся останки кораблей, сверкают брызги и пена. Черная дыра в двой­ной системе также весьма зрелищна. Удивительная ирония астрономии: совершенно невидимые объекты могут стать ярчайшими во Вселенной. Все дело в гравитации.

В качестве земного примера рассмотрим плотину Итайпу на границе между Бразилией и Парагваем. Это плотина ГЭС, вырабатывающей колоссальную энергию — 100 тераватт-час в год, — достаточную для удовлетворения потребностей в энергии нескольких миллионов человек. Откуда берется эта энергия? Плотина поднимает воду реки Параны. Каждую секунду 300 000 куб. м воды падают с высоты 110 м, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию воды, ускоренной до 45 м/с. У основания плотины скорость воды снижается в десять раз, поскольку ее кинетическая энергия переходит в энергию вращения лопаток турбины: вращающаяся турбина вырабатывает электроэнергию. Подобным образом вещество, падающее в черную дыру, выделяет энергию.

Посмотрим, что происходит, когда вещество падает в черную дыру. Этот процесс называется аккрецией. Черные дыры притягивают главным образом газообразный водород, который образует звезды и, разреженный, заполняет пустое межзвездное пространство. Его протоны и электроны могли бы следовать прямо внутрь — проваливаться за горизонт событий и исчезать в черной дыре, навсегда ускользая от нашего взора. Однако это крайне маловероятно, поскольку лишь немногие частицы газа будут двигаться прямиком к черной дыре; в большинстве они будут двигаться поперечно. Это движение может привести к тому, что частица навсегда улетит в космическое пространство или окажется на орбите вокруг черной дыры. Частицы также будут сталкиваться, поскольку летят по разным траекториям. Таким образом, движение частиц к дыре беспорядочно и хаотично, а столкновения приводят к разогреву газа.

Большая часть газа концентрируется в аккреционном диске вокруг экватора черной дыры, и области над ее полюсами оказываются относительно пустыми. И это значит, что часть горячего газа уходит через полюса. При этом энергия вращения из черной дыры превращается в кинетическую энергию. Газ выбрасывается в пространство в виде парных струй быстро движущихся частиц по оси вращения черной дыры. Эти струйные выбросы — джеты — уносят малую часть гравитационной энергии вещества, падающего в черную дыру. Если бы мы могли приблизиться к аккреционному диску, то увидели бы невероятные искажения, обусловленные искривлением света из-за мощной гравитации черной дыры (илл. 16).

Представим спирально закручивающийся диск газа, похожий на брызги и пену по краям водоворота из рассказа По. Центром происходящего является вращающаяся вокруг своей оси черная дыра, мрачная и беспощадная. Чем ближе к ней оказываются частицы, тем быстрее они движутся. Их гравитационная энергия преобразуется в кинетическую. Они сталкиваются друг с другом, и газ разогревается, а трение внутри диска вызывает сильное тепловое излучение. Газ в аккреционном диске имеет температуру миллионы граду­сов и ярко светится в рентгеновском диапазоне.

Таким образом, гравитационная энергия превращается в излучение. Поразительно, что настолько темный объект может создать такую яркую картину. Процесс чрезвычайно эффективен. В данном случае эффективность определяется той частью аккумулированной энергии, которая превращается в излучение. Химический процесс горения, обеспечивающий бо́льшую часть энергии на Земле, имеет эффективность 0,0000001%. Эффективность термоядерного синтеза в звездах, обусловливающего их свечение, чуть меньше 1%. Аккреция в стационарную черную дыру имеет эффективность 10%, во вращающуюся — 40%. Черные дыры — самые мощные источники энергии в природе.

Газ не моментально попадает в черную дыру из-за момента импульса. То же самое относится к планетам, вращающимся вокруг Солнца. Детальная проработка процесса аккреции на черную дыру являлась одной из самых сложных проблем в астрофизике: почти два десятилетия над ней бились десятки исследователей. Частицы газа в аккреционном диске подвергаются трению, поэтому весь диск ведет себя так, словно он вязкий. В результате одна часть вещества теряет момент импульса и приближается к черной дыре, а другая часть приобретает момент импульса и удаляется от нее. Частицы, оказавшиеся вблизи внутреннего края диска, движутся почти со скоростью света. Приближаясь к горизонту событий, типичная частица медленно проходит сквозь аккреционный диск по спирали, теснясь и толкаясь в массе остальных частиц. Затем на внутреннем крае аккреционного диска гравитация затягивает ее прямо в черную дыру. В этой последовательности событий черная дыра набирает массу.

Предел аккреции вычислил сэр Артур Эддингтон в начале XX в. Предел Эддингтона, опирающийся на сферическую геометрию, показывает, в какой момент сила гравитации, тянущая частицу внутрь, компенсируется давлением излучения, выталкивающего частицу наружу. Максимальный темп увеличения массы черной дыры относительно низок: за год она может вырасти не больше, чем на треть массы Луны. Такими темпами ей потребуется 30 млн лет, чтобы удвоить свою массу. Однако эффективное преобразование падающей в дыру массы в исходящее излучение говорит о том, что черная дыра — ослепительно яркая. Черная дыра, питаемая газом звезды-­компаньона, может быть в 100 раз ярче звезды той же массы.

Экскурсия в бестиарий двой­ных звезд

Малая доля звезд оканчивает свою жизнь нейтронными звездами; тех, которые становятся черными дырами, еще меньше: десятые доли процента. Черные дыры редки, как черные лебеди. Повторюсь, распределение масс формирующихся звезд имеет очень сильный перекос в сторону малой массы, и на каждую солнцеподобную звезду приходятся сотни маловесных красных карликов. Красные карлики умирают затухающими угольками — так называемыми белыми карликами. Таким образом, более 95% всех звезд окончат жизнь белыми карликами, а не нейтронными звездами или черными дырами.

Лишь чуть больше половины всех звезд являются одиночными, как наше Солнце, тогда как треть входит в двой­ные системы, а 10% — в системы с тремя компаньонами или более. В большинстве своем двой­ные звезды — это широкие пары с орбитальными периодами продолжительностью годы, десятилетия или даже столетия, поэтому они не взаимодействуют и не влияют на эволюцию друг друга. Малая часть двой­ных звезд — меньше 5% — имеет орбитальные периоды от нескольких часов до нескольких недель.

У любой звезды есть условная граница, в пределах которой все вещество гравитационно привязано к ней. У изолированной звезды эта граница является сферой. Если двой­ные звезды расположены близко друг к другу, их границы вытягиваются в виде капель, соприкасающихся острыми концами. Масса может перетекать от одной звезды к другой через точку соприкосновения капель. Обычно более массивная звезда высасывает газ из менее массивной. Если они расположены в тесном соседстве, воображаемая граничная поверхность сливается в общую оболочку и масса легко перемещается между звездами.

В основном тесно связанные двой­ные системы состоят из двух красных карликов, поскольку среди звезд преобладают карлики. Когда эти звезды гибнут, то коллапсируют в белые карлики, но звезды малой массы живут долго, и большинство из них еще не умерло. Массивные звезды живут мало, поэтому если мы обнаруживаем двой­ную систему из звезд большой и малой масс, то, вероятно, более массивная звезда умерла и оставила после себя нейтронную звезду или черную дыру.

Перечислю типы звездных остатков в двой­ных системах в порядке уменьшения распространенности: двой­ной белый карлик, белый карлик и нейтронная звезда, белый карлик и черная дыра, двой­ная нейтронная звезда, нейтронная звезда и черная дыра, наконец, двой­ная черная дыра. Последний вариант можно назвать двой­ной черной жемчужиной: это редчайшее сочетание. Мы к нему еще вернемся.

Чтобы рассказать все, что известно о двой­ных звездах, придется написать книгу намного толще этой. Как и пары людей, они очень разные. Пары бывают большие и маленькие, «личности» в них — горячие и холодные. Обе стороны что-то дают и что-то берут, и жизнь одной стороны оказывает колоссальное влияние на другую. Иногда партнеры разрывают отношения, один из партнеров почти неизбежно умирает раньше другого. В случае со звездами близкие отношения могут даже дать жизнь после смерти.

Рассмотрим две обычные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс, — они в самом расцвете жизни, синтезируют гелий из водорода. Более массивная звезда истратит свой водород раньше и вырастет в красный гигант, изливая газ на компаньона. Обе звезды купаются в газе и сближаются по спирали. Более массивная звезда умирает, коллапсируя в белый карлик. В конце концов менее массивная звезда стареет и увеличивается, выбрасывая газ на свою мертвую спутницу. Очень сильная гравитация белого карлика сжимает этот газ настолько, что запускается термоядерный синтез, и звезда ненадолго возвращается к жизни. Это так называемая новая звезда — или просто «новая». При бешеной реакции синтеза значительная часть газа выбрасывается в окружающее пространство, процесс может эпизодически повторяться. Иногда из бледного пятнышка, различимого лишь в телескоп, новая превращается в яркий объект, видимый невооруженным глазом. При переносе большого количества вещества белый карлик может преодолеть предел Чандрасекара, равный 1,4 массы Солнца. В этом случае мертвая звезда умрет вторично — как суперновая, оставив после себя нейтронную звезду.

Такова история жизни двой­ной системы, оканчива­ющейся образованием черной дыры. Две горячие массивные звезды вращаются по тесной двой­ной орбите. Более массивная из них, израсходовав водород в ядре, расширяется и сбрасывает бо́льшую часть оболочки на компань­она, причем от нее самой остается голое гелиевое ядро. Через несколько сотен тысяч лет она катастрофически гибнет во вспышке сверхновой, оставляя черную дыру. Спустя некоторое время, достигнув конца своей жизни, менее массивный компаньон также расширяется, выплескивает газ в черную дыру и продуцирует мощное рентгеновское излучение. Затем и он взрывается сверхновой, и в зависимости от массы все завершается образованием системы нейтронной звезды и черной дыры или двой­ной черной дыры (илл. 17).

Отправить