Черная дыра: как увидеть невидимое?

Вадим Александрович Арефьевкандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН.Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?

Черные дыры являются блестящей иллюстрацией сферического коня в вакууме. Если представить, будто она находится в вакууме и ее масса невелика, то вы ее не увидите.

Она воздействует на окружающий мир только гравитационно. Если рядом нет никаких тел, ее тоже нет, она черная. Но в реальном космосе, который заполнен газом, пылевыми облаками, раскаленной плазмой, мы видим, что черная дыра притягивает вещество. Иногда черные дыры могут стать одними из ярчайших объектов во Вселенной!

Обычных звездных и двойных звездных систем примерно поровну. И если в двойных звездных системах находится черная дыра, то эта система — двигатель и бензобак. Причем бензобаком является именно звезда, а черная дыра ее постепенно пожирает. И так как это очень глубокий гравитационный колодец, если вы туда что-то кидаете, раздается плюх, громкий и сильный. Эффективность энерговыделения очень высока (15–25% массы переходит в энергию излучения). Более эффективна только аннигиляция вещества. И другого такого эффективного двигателя не существует! Поэтому при относительно небольшом потоке вещества вы можете сделать очень яркий источник, заметный в разных диапазонах.

Черная дыра похожа на нейтронную звезду

Если бы не было теории Эйнштейна, мы бы не скоро догадались о существовании черных дыр. Должна быть теория, которая говорит о том, что начиная с определенного момента вы ничем не можете компенсировать силу гравитации.

По излучению, которое испускает нейтронная звезда, очень трудно ее отличить от черной дыры. У нейтронной звезды маленький размер — 10 км, и она такой же глубокий гравитационный колодец. В отличие от черной дыры, у нее есть поверхность, но во многих случаях вы не уловите разницу. Вы сможете отличить нейтронную звезду, только если у нее сильное магнитное поле — тогда мы видим пульсар. Если есть пульсар, это не черная дыра. А дальше нам требуется теория относительности Эйнштейна. Мы должны четко определить, что масса должна быть, например, больше четырех масс Солнца, и это уже для нейтронной звезды тяжело. Значит, речь идет о черной дыре.

Актуальное Зафиксирована самая большая из когда-либо виденных комет Новое исследование поможет создать самозаряжающуюся электронику Генномодифицированные комары уже живут в дикой природе: ученые США о новом эксперименте Как безобразничают черные дыры?

Наиболее сильно они безобразничает, когда выступают в роли так называемых транзиентов. Большую часть времени черная дыра ничего не излучает, потому что на нее не падает вещество. И вдруг по какой-то причине вещество начинает падать на эту черную дыру — тогда ее светимость возрастает на пять-шесть порядков. Это как если бы на глади пруда, где нет ветерка, вдруг неожиданно выросла гора размером с Эверест. Это открытие 1970–1980-х годов — рентгеновские новые (звезды), которые один-два раза в год вспыхивали на небе.

Вообще, у неба очень высокая переменность излучения. Если мы смотрим, например, на рентгене или в радиодиапазоне, созвездия могут выглядеть по-разному. Посмотрев через полгода, мы многих источников не увидим, а на месте «пустоты» неожиданно возникнет яркий источник, который может исчезнуть через пару дней, месяц, год. Для таких наблюдений нужны спутники с орбиты, потому что с Земли атмосфера все блокирует.

Изображения черной дыры

Напрямую мы черные дыры не наблюдали, они находятся слишком далеко, чтобы мы могли получить изображение. Но есть, например, художественная иллюстрация — кадр из фильма «Интерстеллар», научным консультантом которого был Кип Торн, получивший Нобелевскую премию за работы, связанные с черными дырами. Авторы пытались показать, что черная дыра имеет очень сильную гравитацию.

Чтобы черная дыра была видна, надо дать ей вещество. Какие стандартные методы поставки горючего в черную дыру? Если близко пролетает звезда, то за счет эффекта приливного разрушения сверхмассивная черная дыра может разорвать эту звезду, после чего постепенно образуется кольцо. За год черная дыра способна сожрать звезду, и это будет достаточно яркий объект.

Телескоп горизонта событий

С 2009 по 2017 год был организован «Телескоп горизонта событий»: это несколько радиотелескопов, которые расположены на разных материках, но работают синхронно. Вместе они наблюдали очень яркий объект — черную дыру в скоплении Девы — и предприняли попытку увидеть ту область, которая очень близка к горизонту событий. Изображение родилось в результате очень сложной математики и длительного моделирования. Когда у вас есть радиотелескоп и интерференции волн, объем данных просто гигантский, ужасающий.

Эти данные оказались не сильно противоречащими нашим ожиданиям. Тем не менее у ряда физиков еще остаются сомнения. По-хорошему, мы должны произвести измерения нескольких крупных объектов, а их вблизи не очень много. Изначально было два объекта для наблюдения: черная дыра в центре нашей галактики и лучший объект — в галактике M87. Наблюдения за ними — это большая, долгая и тяжелая работа.

Как черная дыра влияет на далекий космос?

Огромные струи плазмы — джеты — вырываются с околосветовой скоростью из центра галактик и могут вылетать на десятки-сотни тысяч световых лет. Они способны мешать звездообразованию, а могут активно помогать, когда выключаются.

Посмотрим на скопление галактик. На фото второе по производству энергии событие после Большого взрыва. В созвездии Змееносца рентгеном показан газ в скоплении галактики. Когда специалисты изучали его изогнутую поверхность в радиодиапазоне, то увидели очень характерные спектры, которые должны были остаться от джетов. Посчитав энергетику, они получили чудовищную цифру: 1061. И стало понятно, что в прошлом там работала гигантская черная дыра, которая выкидывала этот большой джет несколько сотен миллионов лет. Судя по всему, она находилась в сверхмассивной галактике, и было много топлива вокруг в эллиптической галактике. Но есть же третий закон Ньютона: если вы на что-то давите, то что-то давит на вас. И сверхмассивная черная дыра, практически как ракета, улетела из этой галактики. Горючее кончилось, джет потух. Поведение черной дыры может быть различным в зависимости от ее массы.

Как мы можем посчитать черные дыры?  

Мы видим активные черные дыры по спектрам в рентгеновском излучении. Их примерно несколько миллиардов или несколько десятков миллиардов, что на самом деле очень мало. Как ведется подсчет? Очень чувствительный телескоп подолгу смотрит в одном направлении и подсчитывает, сколько он обнаружил черных дыр, после чего это пересчитывается на все небо.

Я сказал, что, чтобы увидеть черную дыру, нужно дать ей какое-то другое вещество, но это не всегда так. Вы можете поместить ее в абсолютный вакуум, но взять не одну черную дыру, а две. Если они находятся близко друг от друга и движутся по тесным орбитам, то начинают излучать гравитационные волны. В момент, когда они уже почти соприкоснулись, амплитуда волн становится очень сильной. К счастью, мы научились улавливать гравитационные волны и их моделировать.

В ближайшее время мы готовим эксперимент по очень точному измерению рентгеновского фона, который создается сверхмассивными черными дырами. Интересно узнать, каков их состав, как они распределены по массам и по типам. От этого зависит, как функционировала Вселенная. Сейчас мы собираем летный образец, и в ближайшее время он будет запущен.

Подробнее смотрите на нашем канале в программе «Вопрос науки».

Как возникла Вселенная и что было дальше?Самые впечатляющие телескопы РоссииВоздушный шарик или пирог: как расширяется Вселенная?