Вчені розповіли, звідки беруться найдивніші об'єкти Всесвіту

Чорні дірки розбурхують уяву. Ідеальні пастки, з яких не може вирватися навіть світло. Монстри, здатні розірвати зірку та перекроїти долю галактики. Нічний жах інтуїції, що витворює головоломні трюки з простором і часом. Naked Science пояснює, звідки беруться ці загадкові об'єкти і як їх виявляють астрономи.

Цей світ створено гравітацією. Вона ж прагне його зруйнувати. Та ж сила, що виліпила галактики, планети та зірки, перетворює все на чорні дірки, якщо тільки їй дозволити. Щоб зрозуміти суть цього парадоксу, поговоримо докладніше спочатку про творіння, потім про руйнування.

Каша з грудочками

Уявімо, що вся матерія у видимому Всесвіті, включаючи навіть і темну, складається з водню. Щодо звичайної (не темної) речовини це, до речі, недалеко від істини: вона складається з водню на 77%. Поступово розподілимо цю матерію по простору. Скільки вийде? Відповідь вражає: шість атомів на кубічний метр. Жодна лабораторія у світі не може створити настільки глибокого вакууму. За великим рахунком Всесвіт – це велика порожнеча (у цьому місці буддисти хихикають у кулачок).

Відразу після Великого вибуху матерія була розмазана по простору майже рівномірно. Існували лише невеликі випадкові неоднорідності. Але в гру вступило всесвітнє тяжіння. Там, де щільність речовини виявилося хоч трохи більше фонової, виникли центри тяжіння (пригадаємо, що сила тяжіння залежить від маси). Ця гравітація приваблювала нові порції матерії. Комок речовини набирав масу, а отже, ставав ще потужнішим центром тяжіння, і коло замикалося. Зрештою матерія зібралася в галактики, а всередині галактик — у зірки та планети.

Процес комкування Всесвіту зайшов не надто далеко. Зрештою 80 відсотків маси звичайної (не темної) речовини досі припадає на міжгалактичний газ, а половина 20 відсотків, що залишилися, — на міжзоряний. І все ж саме завдяки всесвітньому тяжінню у світі існує хоч щось, крім пустельної прірви, в якій зрідка зустрічаються самотні атоми.

Але гравітація не вміє зупинятись добровільно. Чим ближче дві частинки речовини, тим більше тяжіння між ними. Залучені цим тяжінням, вони стануть ще ближчими, якщо тільки жодна інша сила не завадить цьому. І тоді тяжіння знову зросте. Гравітація - ненаситний монстр, який прагне стиснути будь-який об'єкт ... у що? Стара, добра теорія Ньютона відповідає: у крапку. Загальна теорія відносності Ейнштейна уточнює: у чорну дірку.

Це по суті і є відповідь на запитання, звідки беруться чорні дірки. Вони виникають, коли гравітація виявляється сильнішою за будь-яку силу, що перешкоджає стиску речовини. Але з якими саме об'єктами відбувається подібна неприємність, щоб не сказати трагедія?

Коли вмирають зірки

Чим масивніше небесне тіло, тим більше взаємне тяжіння складових його частинок речовини і тим важче протистояти стиску. Планета або коричневий карлик справляється з цим просто за рахунок тиску речовини, що стискається. Із зірками цей номер уже не проходить. Зародок зірки стискається під дією гравітації, поки його надра не стають досить щільними і гарячими, щоб спалахнули термоядерні реакції. З цього моменту до тиску речовини приєднується тиск випромінювання. Це той самий тиск світла, відкритий великим російським фізиком П. М. Лебедєвим. Тільки на Землі йому знадобилися чутливі прилади, а ось у надрах зірки саме випромінювання, а зовсім не речовина, робить в тиск вирішальний внесок. Від перетворення на чорну дірку, цю оплот вічної темряви, зірку утримують у буквальному значенні сили світла.

Але термоядерне паливо рано чи пізно закінчується. Щоправда, на той час зірка вже розсіює у просторі значну частину своєї маси. Але на її місці залишається щільне і все ще досить потужне ядро ​​- зірковий залишок. І гравітація, якій не протистоїть тиск випромінювання, стрімко стискає його. Стиснення триває доти, доки…

Поки що? Це залежить від маси залишку, який, ясна річ, визначається масою вихідної зірки. Припустимо, це було світло помірної маси (до десяти сонців). Тоді процес зупиняється, коли електрони у зірковому залишку переходять у особливий стан: стають виродженим електронним газом. Він куди лютіше пручається стиску, ніж звичайна речовина. Зоряний залишок, що зупинилася на цій стадії, називається білим карликом. Кубічний сантиметр його речовини може важити тонну, або навіть тисячу тонн! У зв'язку з такою величезною густиною білий карлик сонячної маси розмірами нагадує… Землю.

Думаєте, це і є атракціон небаченої густини? Як би не так. Якщо вихідна зірка масивніша за десять сонців, гравітація в зірковому залишку ще сильніша. Тоді вироджений електронний газ не може зупинити стиск. В результаті електрони зливаються із протонами, утворюючи нейтрони. Виходить нейтронна зірка. Її радіус за сонячної маси вимірюється вже ліченими кілометрами. Кубічний сантиметр цієї субстанції важить сотні мільйонів тонн.

Ну а якщо зірка за життя була масивнішою за тридцять сонців, навіть тиск нейтронної речовини не в змозі зупинити стиск. Тоді й відбувається «перехід на темний бік» — перетворення на чорну дірку. До речі, за теоретичний опис цієї метаморфози Р. Пенроуз отримав Нобелівську премію з фізики 2020 року (розділивши її з Р. Генцелем та А. Гез, з якими ми ще зустрінемося).

За розрахунками теоретиків, нижня межа маси "зоряної" чорної дірки - близько трьох сонячних. Верхня межа, якщо говорити про зірки нашої галактики – близько 20 сонців. У галактиках з дещо іншим хімічним складом може бути й більше.

Говорити про розмір і щільність чорної діри — справа невдячна, адже вона не має поверхні у звичному розумінні. Зазвичай за умовну поверхню чорної діри приймають обрій подій — той самий фатальний кордон, після перетину якого назад не може повернутися ніщо, навіть світло. Для «невидимки» масою в три Сонці радіус горизонту подій складає лише дев'ять кілометрів.

Канібали та зіткнення

Звідки ми знаємо, що чорні діри зоряних мас існують у реальності, а не лише у викладках теоретиків? Насамперед ми спостерігаємо гравітаційні хвилі від їхніх зіткнень. За відкриття цих хвиль, до речі, було присуджено Нобелівську премію з фізики 2017 року. Це вирішальний доказ, офіційний бланк із підписом та печаткою. Жоден інший процес не може породити гравітаційний сигнал такої самої структури. Число зафіксованих космічних ДТП наближається вже до сотні.

Крім того, буває, що чорна діра утворює тісну пару із нормальною зіркою. Близькість із хижакою не обіцяє світилу нічого доброго. Своєю потужною гравітацією та висмоктує з партнера речовину, займаючись справжнісіньким канібалізмом. Навколо чорної діри закручується хмара матерії, що поступово падає на неї, — акреційний диск. Струмені газу в цьому диску розжарюються тертям настільки, що яскраво сяють у рентгенівському діапазоні. Спостерігачі відомі кілька десятків яскравих рентгенівських об'єктів, які занадто масивні для нейтронних зірок. Вчені, які повинні бути скрупульозними до занудства, називають їх кандидатами в чорні дірки. Але взагалі майже немає сумнівів, що це саме чорні дірки і є.

Буває, що чорна діра утворює пару з нормальною зіркою, але не настільки тісною, щоб стосунки дійшли канібалізму. У цьому випадку «потік темряви» можна виявити, помітивши, що світило обертається навколо невидимого патрона. Спостерігачі виходять із принципу «судячи по орбіті зірки-супутника, ця штука занадто масивна для нейтронної зірки, а якби це нормальне світило, ми б його побачили». Це проста ідея, але нещодавно спостереження досягли потрібної точності. Так що кількість відкритих таким чином чорних дірок вимірюється поки що одиницями.

Взагалі все це крапля в морі. В одному тільки Чумацькому Шляху мають бути сотні мільйонів чорних дірок зоряної маси. Але що робити: вони справді чорні, і виявляти їх дуже непросто.

Розмір має значення

Наступний клас чорних дірок, з яким спостерігачі добре знайомі, — надмасивні. Вони мають маси від мільйонів до десятків мільярдів сонців, і, звісно, ​​ні про яке «зоряне» їхнє походження і мови не може бути.

Надмасивні чорні дірки утворюються у центрах галактик. Це не дивно, адже саме там густина речовини особливо велика. Матерія стікається до центру, залучена сумарною гравітацією всієї галактики. У якийсь момент ця хмара пилу та газу стає такою щільною, що під дією власної гравітації стискається в чорну дірку.

Дослідники досі не мають ясності, як саме це відбувається, вірніше, чому це відбувається так швидко. Спостереження найдальших галактик показують, що надмасивні чорні дірки вже існували, коли вік Всесвіту становив лише 5% від нинішнього. Настільки стрімке виникнення цих монстрів — загадка, яку треба розгадати.

До речі, про спостереження. Надмасивні чорні діри часто мають дуже вражаючі акреційні диски, адже речовини в центрі галактики більш ніж достатньо. Парадокс: самі чорні дірки не випромінюють нічого, але хмара падаючої на них речовини перетворює їх на найяскравіші у Всесвіті джерела випромінювання. Спостерігачі відомі сотні тисяч таких об'єктів.

Чи впевнені астрономи, що це саме чорні дірки, а не щось інше? Так. По-перше, у 2008 р. Р. Генцель та А. Гез досить точно виміряли масу та радіус центрального об'єкта Чумацького Шляху. Виявилося, що тіло, яке можна порівняти за розміром із Сонячною системою, має масу в чотири мільйони сонців (що ви знаєте про ефективну упаковку!). Такий об'єкт може бути лише чорною діркою.

По-друге, у 2019 р. астрономи вперше отримали зображення «тіні» чорної дірки в галактиці М87, яке точно збіглося з прогнозами теорії. Звичайно, про сотні тисяч інших надмасивних чорних дірок такої докладної інформації немає, але прецедент створено.

Представники середнього класу

Є у Всесвіті і чорні дірки, надто масивні для «зоряних», але не дотягують до почесного звання надмасивних. Вони називаються чорними дірками середньої, або проміжної маси.

Цей дуже широкий клас явно був сформульований за принципом «а ось тут у нас на карті біла пляма». Зрозуміло, що сто сонців і сто тисяч сонців — це дуже різні маси, і за ними мають стояти різні механізми освіти. Але як про тих, так і інших відомо зовсім мало.

Детектори гравітаційних хвиль одного разу зафіксували зіткнення двох надзвичайно великих чорних дірок. Маса першої становила 71-106 сонячних, а маса другої - 48-83 сонячних. При їх зіткненні утворився об'єкт масою 126-170 сонців, який точно відноситься до «середнього класу». Але й «учасниці ДТП» завеликі для зіркових решток. Можливо, вони самі — плід зіткнення та злиття чорних дірок зоряних мас.

З іншого боку прірви знаходяться чорні дірки масою сотні тисяч сонців. Вони могли утворитися так само, як надмасивні. Просто їхні батьківські галактики невеликі, тому й чорні дірки виходять, так би мовити, недогодованим. У центрах деяких карликових галактик рентгенівські телескопи справді виявляють щось схоже на «недонадмасивну» чорну дірку. Кількість таких об'єктів перевищила вже сотню. А нещодавно «хижачку» масою близько 90 тисяч сонців знайшли в ядрі карликової системи, яка колись проковтнула галактика Андромеди.

Реліктові звірі

Залишилося розповісти про первинні чорні діри — перший крик новонародженого Всесвіту. Вони обов'язково повинні існувати, тільки виявити їх ніяк не вдається.

Ми згадували про те, що речовина у новонародженому космосі була розподілена майже однорідно. Це важливе "майже", адже первинні неоднорідності стали точками зростання, з яких у результаті утворилися галактики. Але в деяких рідкісних точках щільність речовини з самого початку була настільки високою, що вони відразу перетворилися на чорні дірки. Це сталося у перші частки секунди після Великого вибуху. До утворення атомних ядер залишалися хвилини, а до перших атомів — сотні тисяч років. Ці чорні дірки називають первинними.

Космологи переконані, що первинні чорні дірки існують. Немає способу уникнути їх виникнення, не зламавши при цьому всю теорію раннього Всесвіту. Але спостерігачі розводять руками: жодної чорної дірки, яку впевнено можна було б віднести до первинних, поки що не виявлено. Усі дані про кількість таких об'єктів – це обмеження згори. Іншими словами, «їх точно не більше, ніж стільки, тому що якби їх більше, ми б їх уже помітили».

Як взагалі можна виявити і впізнати цю космічну копалину? Насамперед, по масі. У момент народження реліктові чорні дірки мали різну масу, від порошинки до сотень тисяч сонців. І це єдиний відомий механізм утворення чорних дірок із масою суттєво менше сонячної. Якщо ми колись виявимо таку крихту, стане ясно: ось він, реліктовий звір.

Втім, найменші з первинних чорних дірок давно зійшли нанівець через випромінювання Хокінга. Щоб дожити до наших днів, такому об'єкту потрібно мати як мінімум масу з великий астероїд (а розміром він при цьому буде… з протон).

До речі, про випромінювання Хокінга. Воно витрачає масу чорної дірки. Але що менше маса, то сильніше випромінювання, отже процес відбувається із самоприскоренням. Коли чорна дірка стає легшою за ядро ​​маленької комети, вона зникає в яскравому спалаху гамма-променів. Це виглядає буквально як вибух. Теоретично деякі з первинних чорних дірок вибухають прямо зараз, цієї самої секунди. Спостерігачі не залишають надії розглянути в гамма-телескопи якщо не окрема така подія, то хоча б тло від безлічі далеких вибухів. Є й інші способи шукати первинні чорні дірки, але поки що жоден з них не дав результату. Якщо і коли це нарешті станеться, це відкриття, безумовно, буде гідним ще однієї Нобелівської премії.