Хогвартс?!

#реал #астрономическое

Начать рассказ о чёрных дырах я хотел бы несколько неожиданно – со стороны космических путешествий. Как мы знаем, чтобы отправиться покорять бескрайний космос, нам нужно изрядно разогнаться. Точное значение необходимой нам скорости следует из закона всемирного тяготения и зависит от массы и радиуса небесного тела, с которого мы планируем стартовать. Скорость, достаточная для движения по орбите вокруг небесного тела, называется первой космической, а достаточная для того, чтобы покинуть орбиту и отправиться в межпланетные странствия – второй, она ровно в корень из двух (примерно 1.41) раз больше первой.

Вот так оно выглядит на картинке – круговая орбита С соответствует первой космической скорости, более вытянутая орбита D требует скорости больше первой, но меньше второй космической, а отлётная траектория E соответствует второй космической скорости:

Чем тяжелее и компактнее небесное тело, тем выше для него космические скорости, а чем легче и больше – тем ниже. Так как масса прямо связана с объёмом тела, а тот, в свою очередь, с кубом радиуса, то с ростом размеров небесных тел будут расти и космические скорости, необходимые для их покидания.

Для Земли первая космическая скорость равна 7.9 км/с, а вторая – 11.2 км/с. Важно отметить, что скорости эти определены для поверхности Земли. МКС в 400 километрах над ней движется по своей круговой орбите уже помедленнее, со скоростью около 7.66 км/с, геостационарные спутники на высоте 36 тысяч километров имеют скорость около 3.1 км/с, а Луна и вовсе вращается вокруг Земли со скоростью 1 км/с, но всё равно на нас не падает – ведь до неё 384 тысячи километров.

У маленькой и лёгкой Луны первая космическая скорость составляет всего 1.7 км/с, у здоровенного, но очень тяжёлого Юпитера – около 43 км/с, а у почти такого же большого, но изрядно более лёгкого (и, следовательно, менее плотного) Сатурна – 25 км/с. Разумеется, для звёзд эти значения ещё выше, они ведь в сотни раз тяжелее планет. Чтобы успешно стартовать с поверхности Солнца и выйти на круговую орбиту вокруг него, потребуется разогнаться до 437 км/с. Само собой, по мере роста расстояния от Солнца скорость движения по круговой орбите падает: даже ближайшая к Солнцу планета, Меркурий, имеет среднюю скоростью почти в десятеро меньше – 48 км/с. Земля обращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, Юпитер вальяжно перемещается по орбите со скоростью 13 км/с, а самая дальняя от Солнца планета, Нептун, и вовсе еле тащится со скоростью 5.5 км/с.

Логично задаться вопросом, насколько большими могут быть космические скорости у поверхности различных небесных тел? В прошлый раз мы выяснили, что кроме обычных звёзд в космосе существуют компактные объекты, которые словно бы созданы для того, чтобы ставить рекорды космических скоростей, ведь они тяжёлые, но небольшие. Действительно, уже для белых карликов космические скорости измеряются многими тысячами километров в секунду. Например, белый карлик Сириус В, невидимый невооружённым взглядом спутник самой яркой звезды ночного неба Сириуса А, может похвастаться первой космической скоростью в 4 800 км/с. Нейтронные звёзды пошли ещё дальше – чтобы покинуть поверхность этих невероятно компактных сгустков нейтронной материи потребуется разогнаться до более чем ста тысяч километров в секунду!

Тут-то мы и подходим к закономерному вопросу: а не может ли существовать настолько компактный и плотный объект, что даже свет не сможет вырваться с его поверхности? Так как ничто во Вселенной, согласно современным представлениям, не может распространяться быстрее света, такой объект будет успешно поглощать всё, что на него падает, и не испускать ничего обратно. От него не будет отражаться свет, радиоволны или рентгеновское излучение, и даже невесомые нейтрино, легко проницающие звёзды и планеты, будут навеки заперты в его недрах. Неудивительно, что такой гипотетический объект назвали чёрной дырой – это буквально невидимая дыра в космосе, в которую всё может упасть, но ничего не может выбраться.

Впервые концепцию чёрной дыры сформулировали аж в XVIII веке. Английский священник и естествоиспытатель (да, бывали и такие сочетания) Джон Мичелл в 1784 году рассчитал, что, если бы Солнце было в пятьсот раз больше при той же плотности, вторая космическая скорость на его поверхности равнялась бы скорости света. Кончено, во времена Георга III не подозревали о существовании компактных объектов, да и скорость света была измерена не очень точно, но сама концепция была сформулирована Мичеллом совершенно верно – с поправкой на всякие феномены теории относительности и квантовой механики, горизонт событий чёрной дыры по сию пору понимается как сфера, на которой вторая космическая скорость тождественно равна скорости света.

Перед нами возникает пугающая картина ненаблюдаемого ни в каком диапазоне излучения космического объекта, пожирающего всё на своём пути. Но причин опасаться, что чёрная дыра внезапно сожрёт Солнце или Землю нет. Пусть чёрная дыра невидима, но она ведь имеет массу – а значит и гравитацию, которая влияет на окружающие небесные тела. Достаточно присмотреться к движениям звёзд, планет, облаков газа и пыли, чтобы по их искажениям определить местоположение чёрной дыры.

Увы, теоретически достаточно простой алгоритм поиска чёрных дыр на практике сталкивался с несовершенством методов наблюдений. Даже в сравнительно плотных галактических рукавах звёзды отделены друг от друга световыми годами, так что нам нужны очень точные наблюдения, чтобы выявить влияние одиночной чёрной дыры на движение соседних звёзд. Вплоть до середины XX века таких методов у учёных не было, а потому и никаких признаков чёрных дыр они найти не могли.

Всё изменилось в 1963 году, когда произошли два никак не связанных друг с другом события: NASA провело серию суборбитальных ракетных запусков счётчиков Гейгера, а голландский астроном Мартен Шмидт расшифровал спектр тусклой звёздчоки-радиоисточника с невыразительным индексом 3C 273. Что в этом было интересного? Преодолев защиту земной атмосферы, чувствительные датчики обнаружили мощное рентгеновское излучение, исходящее от нескольких уединённых космических источников, а Шмидт определил, что ничем непримечательная звезда находится на невообразимо далёком расстоянии – 2.4 миллиарда световых лет! Ни тот, ни другой факт никак не укладывались в тогдашнюю астрофизику: обнаруженные источники рентгеновского излучения не ассоциировались с наблюдаемыми звёздами или радиоисточниками, а чрезвычайно далёкая звезда выходила какой-то запредельной светимости, раз уж мы могли её наблюдать со столь огромной дистанции.

Ответить на оба вопроса помогли чёрные дыры. Уже в следующем, 1964 году советские физики Я.Б. Зельдович и Э.Б. Глинер, а также, независимо от них, их американский коллега Э. Солпитер выдвинули предположение о том, что источником невообразимо мощного излучения 3C 273 являются не термоядерные реакции, как в обычных звёздах, а разогрев вещества, падающего на огромную чёрную дыру. Первые же прикидки показали, что для этого её масса должна быть поистине циклопической – по современным данным она превышает 800 миллионов (!) масс Солнца! Тяготение этого монстра засасывает в него вещество целой галактики, в центре которой он находится.

По мере приближения к горизонту событий гравитационные силы разогревают падающее вещество, и оно начинает светиться в различных спектральных диапазонах, в основном – радио- и рентгеновском. Впрочем, видимого света оно испускает тоже достаточно много – примерно в сто раз больше, чем все звёзды нашей Галактики вместе взятые! Вот поэтому мы и можем увидеть его свет даже в любительский телескоп, хотя расположен 3С 273 во много миллионов раз дальше, чем любая звезда нашей Галактики. Обманчивая внешность неприметной «тусклой звёздочки» дала этому классу объектов звучное название – квазары, то есть квазизвёздные радиоисточники («quasar, QUASi-stellAR Radiosource» на английском). Вот так 3C 273 выглядит с большим увеличением в телескоп «Хаббл» – действительно, звезда как звезда:

Дальнейшие наблюдения показали, что 3C 273 далеко не уникален – на сегодняшний день науке известно несколько десятков квазаров. Каждый из них, согласно современным научным представлениям, является огромной чёрной дырой, на которую падает вещество целой галактики. Так как массы таких объектов на много порядков превосходят те чёрные дыры, которые остаются от взрывов звёзд, их закономерно стали именовать сверхмассивными.

Разумеется, среди них тоже есть рекордсмены. Например, масса чёрной дыры квазара TON 618 оценивается в 66 миллиардов (!) масс Солнца, квазара Феникс А* – около 100 миллиардов, а объекта с индексом SDSS J140821.67+025733.2 – 196 миллиардов, правда, это значение оспаривается некоторыми учёными и консенсус в его отношении пока не достигнут. Для сравнения, масса всех звёзд нашей Галактики оценивается в 50-60 миллиардов масс Солнца, то есть крупнейшие сверхмассивные чёрные дыры в несколько раз тяжелее всей нашей Галактики, если не считать входящую в неё (и пока гипотетическую) тёмную материю.

Впрочем, масса этих монстров не идёт ни в какое сравнение с их светимостью – за счёт гравитационного разогрева падающего на них вещества они сияют в тысячи раз ярче всей нашей Галактики! Рекордсменом тут считается открытый в прошлом году квазар J0529-4351. При «скромной» массе в 17 миллиардов солнечных, он сияет в 50 тысяч раз ярче всей нашей Галактики! Чтобы поддерживать такой «режим работы», он ежесуточно поглощает массу, эквивалентную массе Солнца, а диаметр светящегося аккреционного диска (этакой воронки вещества, падающего на тяготеющий объект) составляет 7 световых лет – по галактическим меркам практически ничто, чуть меньше расстояния от Солнца до Сириуса.

К счастью для нас, все обнаруженные квазары находятся очень далеко, на расстояниях во многие миллиарды световых лет от нас, так что они либо не видны в оптическом диапазоне вовсе, либо выглядят тусклыми звёздочками даже в хороший любительский телескоп. Современная наука считает, что это – закономерный результат космологической эволюции Вселенной. Мы видим далёкие квазары такими, какими они были в молодой Вселенной, много миллиардов лет назад, которые свет потратил на то, чтобы добраться от них до нас. За это время самые яркие и мощные квазары попросту исчерпали имевшиеся у них запасы галактического вещества. Действительно, если «съедать» по одному Солнцу в сутки, этак никакой галактики не напасёшься!

Менее «прожорливые» сверхмассивные чёрные дыры ведут себя скромнее и представляют собой активные ядра галактик, которые мы находим в том числе и сравнительно недалеко от себя. В их центрах также находятся сверхмассивные чёрные дыры (правда, поменьше, чем в квазарах – от нескольких миллионов до первых миллиардов масс Солнца), а их активность проявляется по-разному. Кто-то выбрасывает струи разогретого газа, кто-то испускает мощное радио- или рентгеновское излучение, а кто-то просто светится сильнее, чем полагается обычной галактике такого размера. Вот, например, снимок сравнительно близкой к нам эллиптической галактики М 87 (слева-сверху), из которой вырывается релятивистский джет – сверхскоростная струя разогретой плазмы. За это галактическое непотребство отвечает сверхмассивная чёрная дыра с массой около 3.5 миллиардов масс Солнца. Именно её гравитация во взаимодействии с магнитным полем разогревает и разгоняет окружающее вещество:

Зрелище более чем впечатляющее, однако далёкое от того экстрима, что демонстрируют нам квазары. Яркость М 87 лишь втрое больше яркости нашей Галактики, что вполне объяснимо – в ней банально больше звёзд. Сверхмассивная чёрная дыра на свечение галактики в целом почти не влияет, ограничиваясь лишь созданием релятивистского джета.

Открытие активных ядер галактик подтолкнуло учёных повнимательнее присмотреться к центру нашей Галактики – а вдруг и там прячется чёрная дыра? Для наблюдателя на Земле центр нашей Галактики находится в созвездии Стрельца и ничем примечательным не выделяется: оттуда не исходит ни яркого света, ни какого-нибудь экзотического излучения, ни огромных струй вещества. Невооружённым взглядом можно заметить чуть более насыщенный цвет Млечного пути в этой области, да и то лишь в идеальных условиях для наблюдения. Только в 1960-ые годы, по мере развития радиоастрономии, оказалось, что из центра нашей Галактики исходит устойчивый радиосигнал, маркированный как Стрелец А.

К 1990-ым удалось выяснить, что в непосредственной окрестности Стрельца А есть несколько ярких источников инфракрасного излучения, которые представляют собой потоки разогретого вещества, падающие на компактный и очень массивный объект. Первые оценки массы этого объекта гуляли вокруг отметки 3-6 миллионов масс Солнца. При этом сам объект никакого излучения не испускал, в радио- и инфракрасном диапазоне светилось вещество, падающее на его поверхность и разогревающееся в процессе этого. Налицо все признаки чёрной дыры.

По аналогии с радиоисточником ей присвоили имя Стрелец А* и занялись её изучением. Посмотреть на окрестности Стрельца А* в оптическом диапазоне мешают плотные облака газа и пыли, зато в инфракрасном, радио- и гамма-диапазонах удалось разобрать много всего интересного. В результате изучения динамики соседних звёзд удалось установить, что масса чёрной дыры составляет около 4,3 миллионов масс Солнца, а радиус её горизонта событий – 12 миллионов километров, то есть существенно больше Солнца (его радиус равен 700 тысячам километров), но сильно меньше радиуса орбиты Меркурия (58 миллионов километров).

Внимательное отслеживание движения ближайших к Стрельцу А* звёзд позволило исключить иные маловероятные объяснения такой высокой концентрации массы, вроде тесного скопления нейтронных звёзд или нескольких чёрных дыр звёздной массы. В мае 2022 года удалось заснять тень от чёрной дыры в радиодиапазоне с помощью специально созданного для таких исследований Телескопа горизонта событий – проекта объединения множества радиотелескопов по всей планете в единую сеть-интерферометр. Картинка получилась не очень чёткая, но не забывайте, что на ней запечатлён объект размерами немногим больше Солнца на расстоянии в 27 тысяч световых лет – это всё равно, что сфотографировать с Земли теннисный мяч в руках астронавта на поверхности Луны!

Разумеется, одной только фотосессией учёные не ограничились, изучая Стрелец А* всеми доступными способами. Как-никак, он является самой близкой к нам сверхмассивной чёрной дырой. Это принесло свои плоды, обогатив современную астрофизику множеством интересных фактов и гипотез. Например, недавно выяснилось, что находящееся рядом с ней гигантское газовое облако Sgr B2 активно излучает в рентгеновском диапазоне. Возможным объяснением этого странного феномена (облако состоит из молекулярного водорода и само светиться не может, в нём не протекают ядерные реакции) является гипотеза о том, что совсем недавно, буквально несколько сотен лет назад, Стрелец А* поглощал вещество гораздо активнее и излучал много энергии, остатки которой до сих пор переизлучаются в газовом облаке.

Согласно современным представлениям, сверхмассивные чёрные дыры находятся в ядрах большинства наблюдаемых галактик. Активные ядра галактик выступают лишь частным случаем, возникая в тех галактиках, где в непосредственной окрестности сверхмассивной чёрной дыры оказывается достаточно вещества, чтобы излучение от его аккреции вносило заметный вклад в светимость всей галактики. В большинстве же случаев сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик никак себя не проявляют, воздействуя на структуру галактики лишь своим гравитационным полем.

А что же «обычные» чёрные дыры звёздной массы? Как открыли их и при чём тут наблюдения за космическими источниками рентгеновского излучения? Откуда берутся все эти разнообразные чёрные дыры, и почему их массы могу различаться в миллиарды раз? Обсудим всё это как-нибудь в другой раз.