Черные дыры захватывают воображение. Это идеальные ловушки, из которых не может вырваться даже свет. Они способны разорвать звезду и изменить судьбу галактики. Эти загадочные объекты бросают вызов интуиции, создавая головоломные искажения пространства и времени. Naked Science объясняет, как возникают эти объекты и как астрономы их находят.
Гравитация является основой мироздания. Однако она же способна привести к его гибели. Именно эта сила, сформировавшая галактики, планеты и звезды, может обратить их в черные дыры, если ей не препятствовать. Для понимания этого парадокса рассмотрим сначала процесс созидания, а затем — разрушения.
Каша с комочками
Предположим, что вся материя в наблюдаемой Вселенной, включая и темную, состоит из водорода. Для обычного (не темного) вещества это утверждение, к слову, довольно близко к реальности: оно на 77% состоит из водорода. Если равномерно распределить эту материю по пространству, то получится потрясает: концентрация частиц составляет всего шесть атомов на кубический метр. Ни одна лаборатория в мире не располагает технологией для создания столь глубокого вакуума. По сути, Вселенная представляет собой огромную пустоту (в этом месте буддисты хихикают в кулачок).
Сразу после Большого взрыва материя была распределена по всему пространству почти равномерно. Существовали лишь небольшие случайные неоднородности. Но в игру вступило всемирное тяготение. Там, где плотность вещества оказалось хоть чуть-чуть больше фоновой, возникли центры притяжения (вспомним, что сила тяготения зависит от массы). Эта гравитация привлекала все новые порции материи. Комок вещества набирал массу, а значит, становился еще более мощным центром тяготения, и круг замыкался. В конце концов материя собралась в галактики, а внутри галактик — в звезды и планеты.
Степень комкования Вселенной пока невелика. Около 80 процентов массы обычного вещества (не темного) все еще сосредоточено в межгалактическом газе, а еще половина оставшихся 20 процентов — в межзвездном. Тем не менее, именно всемирное тяготение привело к формированию структур, отличных от безграничной пустоты, в которой время от времени встречаются одиночные атомы.
Гравитация не прекращается по своей воле. Сила притяжения между двумя частицами вещества возрастает пропорционально уменьшению расстояния между ними. Под действием этого притяжения они сближаются, если только не окажется иной силы, препятствующей этому процессу. В этом случае тяготение усилится вновь. Гравитация — это неутолимая сила, стремящаяся сжать любой объект… во что? Согласно классической теории Ньютона, в точку. Общая теория относительности Эйнштейна дает более точный ответ: в черную дыру.
По сути, именно это и объясняет происхождение черных дыр. Они формируются, когда гравитационное притяжение превосходит все силы, противодействующие сжатию материи. Но какие же объекты подвергаются такому процессу, который можно назвать даже трагическим?
Когда умирают звезды
Чем больше масса небесного тела, тем сильнее взаимное притяжение составляющих его частиц и тем сложнее сопротивляться сжатию. Планета или коричневый карлик преодолевает это благодаря давлению сжимаемого вещества. Однако это не работает со звездами. Зарождающаяся звезда сжимается под действием гравитации, пока ее внутренние области не достигнут достаточной плотности и температуры для начала термоядерных реакций. После этого к давлению вещества присоединяется давление излучения. Это явление, известное как давление света, было впервые открыто выдающимся русским физиком П. Н. Лебедевым. В то время для его обнаружения требовались высокочувствительные приборы, однако в недрах звезды именно излучение, а не вещество, играет определяющую роль в создании давления. Силы света, по сути, удерживают звезду от коллапса в черную дыру – оплот вечной тьмы.
Но запасы термоядерного топлива неизбежно исчерпываются. Хотя к этому моменту звезда уже выбросила в космос значительную часть своей массы, на ее месте остается плотное и достаточно массивное ядро — звездный остаток. И гравитация, лишенная противодействия со стороны излучения, стремительно сжимает его. Сжатие продолжается до тех пор, пока…
Пока что? Это зависит от массы остатка, которая, разумеется, определяется массой исходной звезды. Предположим, что это было светило с умеренной массой (до десяти солнечных масс). В таком случае, процесс завершается, когда электроны в звездном остатке переходят в особое состояние: они становятся вырожденным электронным газом. Он демонстрирует значительно более сильное сопротивление сжатию по сравнению с обычным веществом. Звездный остаток, находящийся на этой стадии, называют белым карликом. Его плотность настолько велика, что один кубический сантиметр вещества может иметь вес в тонну, а иногда и превышать его, достигая тысячи тонн! Благодаря такой экстремальной плотности, белый карлик с массой, равной массе Солнца, по своим размерам сопоставим с… Землей.
Вы полагаете, что это и есть пример невероятной плотности? Похоже, вы ошибаетесь. Если масса исходной звезды превышает десять солнечных, гравитация в ее остатке возрастает еще больше. В этом случае вырожденный электронный газ не способен предотвратить дальнейшее сжатие. В результате электроны объединяются с протонами, формируя нейтроны. Получается нейтронная звезда. Радиус этой звезды, если ее масса сопоставима с солнечной, составляет всего несколько километров. Объем в один кубический сантиметр этой субстанции имеет вес в сотни миллионов тонн.
Если масса звезды превышала тридцать солнечных, даже нейтронное давление не смогло бы предотвратить ее сжатие. В этом случае происходит «переход на темную сторону» — превращение в черную дыру. Кстати, за теоретическое описание этой метаморфозы Р. Пенроуз получил Нобелевскую премию по физике 2020 года (разделив ее с Р. Генцелем и А. Гез, с которыми мы еще встретимся).
По мнению теоретиков, минимальная масса «звездной» черной дыры составляет приблизительно три солнечные массы. Максимальная масса, если рассматривать черные дыры в звездах нашей галактики, достигает около двадцати солнечных масс. В галактиках с отличающимся химическим составом она может превышать это значение.
Обсуждение размера и плотности черной дыры затруднено, поскольку у нее отсутствует поверхность в обычном понимании. В качестве условной границы черной дыры часто принимают горизонт событий — ту самую критическую точку, за которую невозможно вернуться, даже свету. Для объекта, чья масса равна трем солнечным, радиус горизонта событий составляет всего девять километров.
Каннибалы и столкновения
Как мы можем быть уверены в реальном существовании черных дыр звездных масс, а не только в теоретических моделях? В первую очередь, мы фиксируем гравитационные волны, возникающие в результате их слияний. За это открытие Нобелевская премия по физике была присуждена в 2017 году. Это является ключевым подтверждением, неоспоримым доказательством. Ни один другой физический процесс не способен генерировать гравитационный сигнал подобной структуры. Количество зарегистрированных таких космических столкновений уже приближается к сотне.
Иногда черная дыра формирует плотную пару с обычной звездой. Такая близость к гравитационному монстру не предвещает светилу ничего хорошего. Ее мощная гравитация заставляет партнера отдавать вещество, что можно сравнить с настоящим поглощением. Вокруг черной дыры формируется облако материи, которая постепенно падает на нее — аккреционный диск. В этом диске потоки газа нагреваются трением до температуры, при которой они начинают ярко светиться в рентгеновском спектре. Астрономам известно несколько десятков мощных рентгеновских источников, чья масса превышает массу нейтронных звезд. Исследователи, известные своей скрупулезностью, называют их кандидатами в черные дыры. Но вообще-то почти нет сомнений, что это именно черные дыры и есть.
Иногда черная дыра формирует пару с обычной звездой, однако их взаимодействие недостаточно сильное для поглощения. В таком случае, «сгусток тьмы» можно выявить, зафиксировав вращение светила вокруг невидимого объекта. Ученые руководствуются следующим принципом: если орбита звезды-спутника указывает на слишком большую массу, превышающую массу нейтронной звезды, и при этом мы не можем наблюдать само светило, то, вероятно, перед нами черная дыра. Эта концепция достаточно проста, но требуемая точность наблюдений была достигнута лишь недавно. Поэтому число черных дыр, обнаруженных таким способом, пока что исчисляется единицами.
Все это лишь незначительная часть общей картины. В Млечном Пути, по оценкам, насчитывается сотни миллионов черных дыр звездной массы. Однако, поскольку они поглощают свет, их обнаружение представляет собой сложную задачу.
Размер имеет значение
Наблюдателям хорошо знакомы и другие черные дыры — сверхмассивные. Их масса варьируется от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс, что исключает возможность их формирования из звезд.
Сверхмассивные черные дыры формируются в центрах галактик. Это закономерно, поскольку в этих областях наблюдается наибольшая концентрация вещества. Под воздействием общей гравитации галактики материя собирается в центре, образуя плотное облако пыли и газа. В определенный момент это облако, сжавшись под действием собственной гравитации, превращается в черную дыру.
Ученые до настоящего времени не могут объяснить механизм этого явления, или, точнее, причину его стремительности. Изучение наиболее удаленных галактик указывает на то, что сверхмассивные черные дыры сформировались на очень ранних этапах развития Вселенной, когда ее возраст составлял лишь 5% от текущего. Такое быстрое возникновение этих массивных объектов остается неразгаданной тайной.
Среди прочих наблюдений стоит отметить, что сверхмассивные черные дыры нередко окружены аккреционными дисками, что объясняется обилием вещества в центре галактик. Черные дыры сами по себе не излучают энергию, однако аккрецирующий на них материал создает облако, которое превращает их в одни из самых ярких источников излучения во Вселенной. На сегодняшний день известно несколько сотен тысяч подобных объектов.
Действительно ли астрономы уверены, что это черные дыры, а не какие-то другие объекты? Да. В частности, в 2008 году Р. Генцель и А. Гез смогли достаточно точно определить массу и радиус центрального объекта нашей галактики. Полученные данные показали, что объект, сравнимый по размерам с Солнечной системой, обладает массой, эквивалентной четырем миллионам солнечных масс. Объект подобного рода может существовать только в форме черной дыры.
Во-вторых, в 2019 г. астрономы впервые получили изображение «снимок «теней» черной дыры в галактике М87 подтвердил предсказания теории. Хотя подробные сведения о сотнях тысяч других сверхмассивных черных дыр отсутствуют, этот случай создает важный прецедент.
Представители среднего класса
В космосе существуют также черные дыры, обладающие массой, превышающей массу «звездных» черных дыр, но недостаточной для классификации как сверхмассивных. Такие объекты получили название черных дыр средней, или промежуточной, массы.
Этот обширный класс, очевидно, был определен исходя из принципа выявления неизученных областей. Очевидно, что массы, сравнимые с одним солнцем, и массы, сопоставимые со ста тысячами солнц, существенно отличаются друг от друга, и за их формированием должны лежать различные процессы. Однако о них известно крайне мало.
Детекторы гравитационных волн однажды зафиксировали столкновение двух необычно крупных черных дыр. Масса первой составляла 71-106 солнечных, а масса второй — 48-83 солнечных. При их столкновении образовался объект массой 126-170 солнц, который уж точно относится к «среднему классу». Но и «участницы ДТП» великоваты для звездных остатков. Возможно, они сами — плод столкновения и слияния черных дыр звездных масс.
На противоположной стороне пропасти располагаются черные дыры, чья масса достигает сотен тысяч солнечных. Возможно, они сформировались аналогично сверхмассивным, однако их родительские галактики были относительно небольшими, что привело к образованию черных дыр, можно сказать, меньшего размера. В центрах некоторых карликовых галактик рентгеновские телескопы зафиксировали объекты, напоминающие «недосверхмассивные» черные дыры. Число таких объектов перевалило уже за сотню. А недавно «хищницу» массой около 90 тысяч солнц нашли в ядре карликовой системы, некогда проглоченной галактикой Андромеды.
Реликтовые звери
О важности первичных черных дыр — первых, появившихся в ранней Вселенной — также стоит упомянуть. Их существование представляется неизбежным, однако обнаружить их пока не представляется возможным.
Мы говорили о том, что вещество в ранней Вселенной было распределено почти однородно. Это важное «почти», ведь первичные неоднородности стали точками роста, из которых в итоге образовались галактики. Но в некоторых исключительно редких точках плотность вещества с самого начала была настолько высока, что они сразу же превратились в черные дыры. Это произошло в первые доли секунды после Большого взрыва. До образования атомных ядер оставались минуты, а до появления первых атомов — сотни тысяч лет. Эти черные дыры называют первичными.
Космологи утверждают о существовании первичных черных дыр. Отказ от этой идеи повлек бы за собой пересмотр всей теории ранней Вселенной. Однако, несмотря на это, астрономы не смогли идентифицировать ни одного объекта, который бы однозначно можно было классифицировать как первичную черную дыру. Все имеющиеся сведения о количестве таких объектов представляют собой верхние границы. Иными словами, их количество ограничено, поскольку в противном случае они бы уже были зафиксированы».
Как вообще возможно обнаружить и идентифицировать это космическое ископаемое? Прежде всего, по массе. Первоначально, в момент своего появления, реликтовые черные дыры обладали различной массой, начиная от микроскопических частиц и заканчивая значениями, во много раз превышающими массу Солнца. И это единственный известный механизм образования черных дыр с массой существенно меньше солнечной. Если мы когда-нибудь обнаружим такую крошку, станет ясно: вот он, реликтовый зверь.
Впрочем, самые малогабаритные из первичных черных дыр давно прекратили своё существование вследствие излучения Хокинга. Для того чтобы просуществовать до наших дней, такой объект должен обладать массой, сравнимой с крупным астероидом (а по размеру он будет… с протоном).
Излучение Хокинга приводит к уменьшению массы черной дыры. При этом, чем меньше масса, тем интенсивнее излучение, что обуславливает ускорение процесса. Когда масса черной дыры становится сопоставима с массой ядра небольшого небесного тела, она аннигилирует, порождая мощный выброс гамма-лучей. Этот процесс визуально напоминает взрыв. Предполагается, что некоторые из первичных черных дыр могут аннигилировать в данный момент. Ученые не теряют надежды зафиксировать подобное событие или хотя бы фон от множества удаленных аннигиляций при помощи гамма-телескопов. Существуют и другие методы поиска первичных черных дыр, однако ни один из них пока не принес результатов. В случае успеха, это открытие, несомненно, будет удостоено Нобелевской премии.