Ученые рассказали, откуда берутся самые странные объекты Вселенной
Ни одна лаборатория в мире не может создать настолько глубокий вакуум.
Черные дыры будоражат воображение. Идеальные ловушки, из которых не может вырваться даже свет. Монстры, способные разорвать звезду и перекроить судьбу галактики. Ночной кошмар интуиции, вытворяющий головоломные трюки с пространством и временем. Naked Science объясняет, откуда берутся эти загадочные объекты и как астрономы их обнаруживают.
Этот мир создан гравитацией. Она же стремится его разрушить. Та же сила, что вылепила галактики, планеты и звезды, превращает все в черные дыры, если только ей позволить. Чтобы понять суть этого парадокса, поговорим подробнее сначала о творении, потом — о разрушении.
Каша с комочками
Представим себе, что вся материя в видимой Вселенной, включая даже и темную, состоит из водорода. В отношении обычного (не темного) вещества это, кстати, недалеко от истины: оно состоит из водорода на 77%. Равномерно распределим эту материю по пространству. Сколько же получится? Ответ потрясает: шесть атомов на кубический метр. Ни одна лаборатория в мире не может создать настолько глубокий вакуум. По большому счету Вселенная — это великая пустота (в этом месте буддисты хихикают в кулачок).
Сразу после Большого взрыва материя и была размазана по 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.
Процесс комкования Вселенной зашел не слишком далеко. В конце концов 80 процентов массы обычного (не темного) вещества до сих пор приходится на межгалактический газ, а половина оставшихся 20 процентов — на межзвездный. И все же именно благодаря всемирному тяготению в мире существует хоть что-то кроме пустынной бездны, в которой изредка встречаются одинокие атомы.
Но гравитация не умеет останавливаться добровольно. Чем ближе две частицы вещества, тем сильнее притяжение между ними. Влекомые этим притяжением, они станут еще ближе, если только никакая другая сила не помешает этому. И тогда тяготение опять возрастет. Гравитация — ненасытный монстр, который стремится сжать любой объект… во что? Старая, добрая теория Ньютона отвечает: в точку. Общая теория относительности Эйнштейна уточняет: в черную дыру.
Это, по существу, и есть ответ на вопрос, откуда берутся черные дыры. Они возникают, когда гравитация оказывается сильнее любой силы, препятствующей сжатию вещества. Но с какими именно объектами происходит подобная неприятность, чтобы не сказать — трагедия?
Когда умирают звезды
Чем массивнее небесное тело, тем больше взаимное притяжение составляющих его частиц вещества и тем труднее противостоять сжатию. Планета или коричневый карлик справляется с этим просто за счет давления сжимаемого вещества. Со звездами этот номер уже не проходит. Зародыш звезды сжимается под действием гравитации, пока его недра не становятся достаточно плотными и горячими, чтобы в них вспыхнули термоядерные реакции. С этого момента к давлению вещества присоединяется давление излучения. Это то самое давление света, открытое великим русским физиком П. Н. Лебедевым. Только на Земле ему понадобились чувствительные приборы, а вот в недрах звезды именно излучение, а вовсе не вещество, вносит в давление решающий вклад. От превращения в черную дыру, этот оплот вечной тьмы, звезду удерживают в буквальном смысле силы света.
Но термоядерное топливо рано или поздно заканчивается. Правда, к этому времени звезда уже рассеивает в пространстве значительную часть своей массы. Но на ее месте остается плотное и все еще достаточно массивное ядро — звездный остаток. И гравитация, которой уже не противостоит давление излучения, стремительно сжимает его. Сжатие продолжается до тих пор, пока…
Пока что? Это зависит от массы остатка, который, понятное дело, определяется массой исходной звезды. Допустим, это было светило умеренной массы (до десяти солнц). Тогда процесс останавливается, когда электроны в звездном остатке переходят в особое состояние: становятся вырожденным электронным газом. Он куда яростнее сопротивляется сжатию, чем обычное вещество. Звездный остаток, остановившейся на этой стадии, называется белым карликом. Кубический сантиметр его вещества может весить тонну, а то и тысячу тонн! В связи с такой огромной плотностью белый карлик солнечной массы размерами напоминает… Землю.
Думаете, это и есть аттракцион невиданной плотности? Как бы не так. Если исходная звезда массивнее десяти солнц, гравитация в звездном остатке еще сильнее. Тогда вырожденный электронный газ уже не может остановить сжатие. В результате электроны сливаются с протонами, образуя нейтроны. Получается нейтронная звезда. Ее радиус при солнечной массе измеряется уже считанными километрами. Кубический сантиметр этой субстанции весит сотни миллионов тонн.
Ну а если звезда при жизни была массивнее тридцати солнц, даже давление нейтронного вещества не в силах остановить сжатие. Тогда и происходит «переход на темную сторону» — превращение в черную дыру. К слову, 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 расчетам теоретиков, нижний предел массы «звездной» черной дыры — около трех солнечных. Верхний предел, если говорить о звездах нашей галактики — около 20 солнц. В галактиках с несколько иным химическим составом он может быть и больше.
Говорить о размере и плотности черной дыры — дело неблагодарное, ведь у нее нет поверхности в привычном смысле. Обычно за условную поверхность черной дыры принимают горизонт событий — ту самую роковую границу, после пересечения которой назад не может вернуться ничто, даже свет. Для «невидимки» массой в три Солнца радиус горизонта событий составляет всего девять километров.
Каннибалы и столкновения
Откуда мы знаем, что черные дыры звездных масс существуют в реальности, а не только в выкладках теоретиков? Прежде всего мы наблюдаем гравитационные волны от их столкновений. За открытие этих волн, кстати, была присуждена Нобелевская премия по физике 2017 года. Это решающее доказательство, официальный бланк с подписью и печатью. Ни один другой процесс не может породить гравитационный сигнал такой же структуры. Число зафиксированных космических ДТП приближается уже к сотне.
Кроме того, бывает, что черная дыра образует тесную пару с нормальной звездой. Близость с хищницей не сулит светилу ничего хорошего. Своей мощной гравитацией та высасывает из партнера вещество, занимаясь самым настоящим каннибализмом. Вокруг черной дыры закручивается облако постепенно падающей на нее материи — аккреционный диск. Струи газа в этом диске раскаляются трением до такой степени, что ярко сияют в рентгеновском диапазоне. Наблюдателям известно несколько десятков ярких рентгеновских объектов, которые слишком массивны для нейтронных звезд. Ученые, обязанные быть дотошными до занудства, называют их кандидатами в черные дыры. Но вообще-то почти нет сомнений, что это именно черные дыры и есть.
Бывает, что черная дыра образует пару с нормальной звездой, но не настолько тесную, чтобы отношения дошли до каннибализма. В этом случае «сгусток тьмы» можно обнаружить, заметив, что светило обращается вокруг невидимого патрона. Наблюдатели исходят из принципа «судя по орбите звезды-спутника, эта штука слишком массивная для нейтронной звезды, а будь это нормальное светило, мы бы его увидели». Это простая идея, но только недавно наблюдения достигли нужной точности. Так что количество открытых таким образом черных дыр измеряется пока единицами.
Вообще-то все это капля в море. В одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр звездной массы. Но что же делать: они действительно черные, и обнаруживать их очень непросто.
Размер имеет значение
Следующий класс черных дыр, с которым наблюдатели хорошо знакомы — сверхмассивные. Они имеют массы от миллионов до десятков миллиардов солнц, и, конечно, ни о каком «звездном» их происхождении и речи быть не может.
Сверхмассивные черные дыры образуются в центрах галактик. Это неудивительно, ведь именно там плотность вещества особенно велика. Материя стекается в центр, привлеченная суммарной гравитацией всей галактики. В какой-то момент это облако пыли и газа становится таким плотным, что под действием собственной гравитации сжимается в черную дыру.
У исследователей до сих пор нет ясности, как именно это происходит, вернее, почему это происходит так быстро. Наблюдения самых далеких галактик показывают, что сверхмассивные черные дыры уже существовали, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от нынешнего. Столь стремительное возникновение этих монстров — загадка, которую только предстоит разгадать.
Кстати, о наблюдениях. Сверхмассивные черные дыры часто имеют очень впечатляющие аккреционные диски, ведь вещества в центре галактики более чем достаточно. Парадокс: сами черные дыры не излучают ничего, но облако падающего на них вещества превращает их в самые яркие во Вселенной источники излучения. Наблюдателям известны сотни тысяч таких объектов.
Уверены ли астрономы, что это именно черные дыры, а не что-либо другое? Да. Во-первых, в 2008 г. Р. Генцель и А. Гез довольно точно измерили массу и радиус центрального объекта Млечного Пути. Оказалось, что тело, сравнимое по размеру с Солнечной системой, имеет массу в четыре миллиона солнц (что вы знаете об эффективной упаковке!). Такой объект может быть только черной дырой.
Во-вторых, в 2019 г. астрономы впервые получили изображение «тени» черной дыры в галактике М87, которое точно совпало с предсказаниями теории. Конечно, о сотнях тысяч других сверхмассивных черных дыр такой подробной информации нет, но прецедент создан.
Представители среднего класса
Есть во Вселенной и черные дыры, слишком массивные для «звездных», но не дотягивающие до почетного звания сверхмассивных. Они называются черными дырами средней, или промежуточной, массы.
Этот слишком широкий класс явно был сформулирован по принципу «а вот здесь у нас на карте белое пятно». Ясно, что сто солнц и сто тысяч солнц — это очень разные массы, и за ними должны стоять столь же разные механизмы образования. Но как о тех, так и о других известно совсем 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.
С другой стороны пропасти находятся черные дыры массой в сотни тысяч солнц. Они могли образоваться так же, как сверхмассивные. Просто их родительские галактики невелики, поэтому и черные дыры получаются, так сказать, недокормленными. В центрах некоторых карликовых галактик рентгеновские телескопы действительно обнаруживают нечто, похожее на «недосверхмассивную» черную дыру. Количество 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
Осталось рассказать о первичных черных дырах — первом крике новорожденной Вселенной. Они обязательно должны существовать, вот только обнаружить их никак не удается.
Мы упоминали о том, что вещество в новорожденном космосе 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 убеждены, что первичные черные дыры существуют. Нет способа избежать их возникновения, не сломав при этом всю теорию ранней Вселенной. Но наблюдатели разводят руками: ни одной черной дыры, которую уверенно можно было бы отнести к первичным, пока не обнаружено. Все данные о количестве таких объектов — это ограничения сверху. Другими словами, «их точно не больше, чем столько-то, потому что будь их больше, мы бы их уже заметили».
Как вообще можно обнаружить и опознать это космическое ископаемое? Прежде всего, по массе. В момент рождения реликтовые черные дыры имели самую разную массу, от пылинки до сотен тысяч солнц. 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 маленькие из первичных черных дыр давно сошли на нет из-за излучения Хокинга. Чтобы дожить до наших дней, такому объекту нужно иметь массу как минимум с крупный астероид (а размером он при этом будет… с протон).
Кстати, об излучении Хокинга. Оно расходует массу черной дыры. Но чем меньше масса, тем сильнее излучение, так что процесс идет с самоускорением. Когда черная дыра становится легче ядра маленькой кометы, она исчезает в яркой вспышке гамма-лучей. Это выглядит буквально как взрыв. Теоретически некоторые из первичных черных дыр взрываются прямо сейчас, в эту самую секунду. Наблюдатели не оставляют надежды разглядеть в гамма-телескопы если не отдельное такое событие, то хотя бы фон от множества далеких взрывов. Есть и другие способы искать первичные черные дыры, но пока ни один из них не дал результата. Если и когда это наконец случится, это открытие, безусловно, будет достойно еще одной Нобелевской премии.
