Рассказывает астроном Иветт Сендес, работающая в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики.
Во Вселенной, полной увлекательных и экзотических явлений, мало что столь потрясает воображение, как чёрные дыры.
Обнаружение новых чёрные дыр — задача непростая. С чего вообще начинать поиск? Недавние исследования выявили новую категорию этих небесных тел, в которую входят близлежащие известные нам объекты.
Чёрные дыры — худшие соседи
Но в то время как в нашей галактике имеется всего одна сверхмассивная чёрная дыра, она притягивает множество более мелких чёрных дыр, образующихся после того, как массивные звёзды (более чем в 18 раз тяжелее Солнца) коллапсируют в конце своей жизни и взрываются, превращаясь в сверхновые. Мы знаем о нескольких таких объектах, расположенных в бинарных системах, благодаря некоему подобию «танца», который исполняют их звёзды-компаньоны. Самая известная из них — чёрная дыра Cygnus X-1 (Cyg X-1), которая даже на расстоянии 7000 световых лет от нас является одним из самых сильных источников рентгеновского излучения на небе. Cyg X-1 была первым источником такого излучения, официально признанным как чёрная дыра — фактически, в 1970-х годах астрофизики Кип Торн и Стивен Хокинг заключили знаменитое пари, не сойдясь во мнении, является ли Cyg X-1 чёрной дырой или нет. Торн склонялся к тому, что это чёрная дыра, Хокинг же был против. В конечном итоге, Хокинг с радостью признал своё поражение в начале 1990-х, как только доказательства его неправоты стали очевидными.
Сегодня астрономы знают, что Cyg X-1 — это чёрная дыра, примерно в 21 раз превышающая массу Солнца, сопровождаемая синей сверхгигантской звездой, вращающейся вокруг неё на расстоянии как минимум в пять раз меньшим, чем дистанция между Землёй и Солнцем(астрономы называют среднее расстояние между Землёй и Солнцем астрономической единицей, или А.Е.). Синяя сверхгигантская звезда имеет массу от 20 до 40 солнечных (и она тоже когда-нибудь станет чёрной дырой) её звёздный ветер посылает устойчивый поток частиц, которые притягивает Cyg X-1, процесс, называемый аккрецией. Именно этот процесс питает яркое рентгеновское излучение, которое мы видим. Несколько других чёрных дыр (и даже нейтронных звёзд) тоже были обнаружены подобным образом, когда вещество с их близкого спутника аккрецирует на компактный объект, создавая тем самым так называемые рентгеновские двойные звёзды.
Рентгеновские двойные звёзды — особый, нетипичный вид систем. Чтобы излучение можно было обнаружить, чёрная дыра и её звезда-компаньон должны находиться очень близко друг к другу. А что насчёт подобных бинарных систем с большими расстояниями между объектами? Или же чёрных дыр без спутника и, следовательно, без близлежащего вещества для аккреции? Есть ли способ обнаружить такие объекты?
На протяжении всей истории ответ был отрицательным. Одинокие чёрные дыры, как я уже сказал, слишком темны. Но несколько месяцев назад, благодаря миссии Европейского космического агентства (ESA) Gaia и астроному по имени Карим Эль-Бадри, появился новый способ их обнаружить.
Gaia: поиск жизни и впечатляющих данных
Карим в настоящее время работает ассистентом профессора астрономии в Калтехе. Он занялся поиском чёрных дыр, когда учился в аспирантуре Университета Калифорнии в Беркли. «Я потратил много времени во время своей докторской диссертации, пытаясь найти чёрные дыры без аккреции, но без особого успеха», — вспоминает он. Я впервые встретил Карима, когда мы оба были постдоками по астрономии в Гарвардском университете, когда он уже имел репутацию «разоблачителя черных дыр» в этой области — хотя это и не было его изначальным намерением. Это произошло потому, что Карим уделял время верификации предположительно обнаруженных чёрных дыр в статьях, опубликованных другими астрономами. Но когда он изучал данные, то ничего похожего не обнаруживал — другими словами, Карим доказывал, что ни один из этих кандидатов в чёрные дыры не является подобных объектом. «Их просто не было там, и, кроме того, методы использованные для идентификации кандидатов не были оптимальными», — поясняет он.
Однако один потенциальный метод обнаружения чёрных дыр привлек внимание Карима. Он заключался в использовании данных, добытых космическим телескопом Gaia. Запущенный в 2013 году, Gaia предназначался для астрометрии, то есть сбора точных координат миллионов звезд, благодаря тщательному измерению положения звезды на небе каждые несколько месяцев. Чем больше проходит времени, тем более точными становятся данные для каждой звезды. Каждые несколько лет, благодаря новому блоку данных, полученному при помощи Gaia, происходит обновление каталогов небесных тел, что вызывает огромный энтузиазм со стороны астрономов.
Когда в июне 2022 года были опубликованы последние данные Gaia (получившие аббревиатуру Gaia DR3), Карим был готов: он запустил компьютерный скрипт, используя огромный обновлённый каталог небесных тел в течение пяти минут после его публикации. Он специально искал звёзды с «колебаниями» в орбите, вызванными невидимой чёрной дырой. Когда звезда расположена в гравитационно связанной системе с другим объектом, два (или три, или сколько угодно) объекта вращаются вокруг общего центра масс, называемого барицентром. Даже если этот объект невидим, с точки зрения земного наблюдателя будет казаться, что звезда смещается назад и вверх. Как только её орбита определена, астрономы могут применить законы Кеплера о движении планет для расчёта массы невидимого объекта. Учёные часто используют эту технику для обнаружения экзопланет, однако до появления Gaia данные были далеко не столь точными, чтобы искать чёрные дыры. Сегодня же именно точность космического телескопа позволяет астрономам изучать области подозрительной активности рентгеновских двойных звёзд на такие колебания, а также находить звёзды с колеблющимися орбитами для исследования.
На этот раз, с Gaia DR3 в искусных руках Карима, две звезды выбивались из ряда миллионов других в базе данных. И после завершения анализа всей доступной информации, оказалось, что они вращаются вокруг двух самых близких к Земле чёрных дыр.
Правильный ли это кусочек пазла?
Первая звезда, о которой идёт речь, настолько похожа на Солнце, насколько это вообще возможно. Она примерно такого же размера и массы, и находится на расстоянии 1560 световых лет от нашего светила. Звезда достаточно яркая, чтобы быть легко замеченной профессиональным телескопом. Однако на этом сходства заканчиваются. В отличие от Солнца, она вращается вокруг невидимого, массивного объекта, совершая полный оборот каждые шесть месяцев, располагаясь от него примерно на расстоянии Марса от Солнца. Последующие наблюдения для подтверждения орбиты показали, что невидимый объект имеет массу в 10 раз больше Солнца, что делает его намного массивнее, чем видимая звезда. И это не может быть другая звезда, потому что звезда такой массы была бы более яркой и легко обнаружимой, чем первая. Кроме того, никакой другой известный тёмный объект не может быть столь же массивным. Простейшая логика привела к выводу, что невидимое небесное тело должно быть чёрной дырой. Карим назвал её Gaia BH1: самая близкая к Земле известная чёрная дыра.
Это открытие потрясло астрономический мир. Gaia BH1 не только находится в три раза ближе, чем считавшаяся ранее близлежащей чёрная дыра V616 Единорог, но и является спящей чёрной дырой, что означает, что она не притягивает вещество со своего спутника для формирования аккреционного диска. Подобный объект ранее никогда не могли обнаружить. «Поскольку орбита столь широкая, мы можем изучить эволюцию самой чёрной дыры,— объясняет Кэти Брейвик, астроном из Университета Карнеги-Меллона, изучающая эволюцию звёзд и чёрных дыр. — Этот объект — потрясающий кладезь знаний для исследования процесса формирования чёрных дыр».
До сих пор не очень понятно, как такая система вообще сформировалась. «В бинарных системах орбиты сужаются с течением времени, — поясняет Брейвик, — и на данный момент мы в основном считаем невозможным формирование чёрной дыры подобным образом в изоляции». Другими словами, мы не понимаем, как система Gaia BH1 (с её чёрной дырой и звездой, похожей на Солнце) вообще могла появиться, потому что все ранее известные чёрные дыры в бинарных системах, вероятно, эволюционировали, делясь веществом со своим спутником, когда оба ещё были звёздами. Более того, звезда-компаньон, подобная Солнцу, кажется совершенно нетронутой, без признаков каких-либо предыдущих близких взаимодействий с другой звездой или чёрной дырой. «Это самая настоящая загадка», — утверждает Брейвик.
На самом же деле есть несколько вариантов её появления: например, если это изначально была тройная система, где один спутник был либо выброшен, либо поглощён чёрной дырой. Однако подтвердить такую историю было бы чрезвычайно сложно. В качестве альтернативы, возможно, звезда, похожая на Солнце, и звезда, которая в конечном итоге стала Gaia BH1, сформировались в одном и том же густом скоплении звёзд и были вытолкнуты на общую орбиту. Это тоже непростой сценарий для доказательства на текущем этапе, миллионы лет спустя.
Открытие породило и другие вопросы: действительно ли Gaia BH1 была спящей? Единственный ли это такой объект там, в космосе? И вот тут вступаю в дело я.
Искать или не искать
Если научная репутация Карима заключается в разоблачении (и иногда обнаружении) чёрных дыр, то моя связана с обнаружением радиоизлучения от них — такое обычно происходит,когда они разрывают звёзды и поглощают их. Когда в конце 2022 года появилась новость о Gaia BH1, мой кабинет в Гарварде был по соседству с кабинетом Карима, поэтому мне пришлось быстро подбежать к нему и спросить: рассматривал ли он или его коллеги возможность организовать специальное наблюдение за источником сигнала при помощи массива радиотелескопов Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико? В конце концов, у солнцеподобной звезды, как и у нашего светила, есть солнечный ветер. И на таком «близком» от нас расстоянии несколько часов наблюдения при помощи VLA, скорее всего, были бы достаточными для того, чтобы либо обнаружить излучение, когда эти частицы притягиваются чёрной дырой, либо установить, что скорость аккреции очень низкая.
Карим согласился и приступил к составлению запроса о выделение необходимого времени для наблюдений при помощи VLA, чтобы получить более точное представление о ситуации. К сожалению, Gaia BH1 не излучала радиоволны. Но это были не все плохие новости — несколько дней спустя, обсуждая результат, Карим упомянул: «Знаешь, после анализа данных, полученных от Gaia, у меня появился ещё один кандидат, который стал бы второй по близости к Земле чёрной дырой, если бы это было доказано. И, возможно, это лучший вариант для обнаружения радиоизлучения, но он расположен в Южном полушарии. Интересует?»
Я не думаю, что кто-то, ставший астрономом, откажется от такой возможности. Карим рассказал мне детали: удалённая от нас на 3800 световых лет, Gaia BH2 находится дальше, чем Gaia BH1. Она расположена на расстоянии 5 астрономических единиц от своего двойного спутника (примерно как расстояние от Солнца до Юпитера), что означает, что один оборот занимает 3,5 года. Однако, как это часто бывает, пара приблизилась бы друг к другу наиболее близко (состояние известное как периастр) в феврале 2023 года. Более того, эта звезда представляет собой красного гиганта. Наше собственное светило тоже когда-нибудь станет подобным объектом — это произойдёт, когда в его ядре исчерпается водород, оно начнёт расширяться, охлаждаться (что и сделает его красным), и генерировать гораздо более сильный звёздный ветер. Таким образом, Gaia BH2 может быть дальше от Земли, чем Gaia BH1, но более сильный поток частиц звезды делал её гораздо более перспективной в плане обнаружения излучения от аккреции. И если бы мы всё равно ничего не обнаружили, это означало бы, что мы открыли новую категорию чёрных дыр, которых не имеем ни малейших шансов непосредственно наблюдать при нашем текущем уровне развития технологий.
Были написаны и утверждены срочные запросы для наблюдений на телескопе MeerKAT в Южной Африке, запланированные на дату достижения периастра. И вот, в один снежный зимний уик-энд в Новой Англии, я проснулся от письма, в котором говорилось, что наблюдение прошло успешно. Вот теперь и начинается настоящее веселье!
Есть несколько причин, по которым я стал астрономом. Но каждый раз, когда я получаю данные от нового наблюдения, в моих мыслях преобладает только одно: вот тот момент, когда нетерпеливое ожидание передачи информации издалека завершается, и ты на мгновение становишься единственным человеком в мире, который знает что-то новое о космосе. Как описать такое значимое, наполняющее душу чувство, особенно когда речь идёт о том, сможем ли мы обнаружить новый тип чёрной дыры? Это поразительно завораживающее ощущение, могу я вам сказать!
Когда на моём экране появился чистый чёрный блок пикселей, я на самом деле нисколько не удивился, что слишком просто не будет. Необнаружение чего-либо не так волнующе, как обнаружение, но на этот раз отсутствие излучения вызвало у меня самобытное чувство удивления. Исходя из нашего понимания чёрных дыр и звёздного окружения, мы действительно должны были обнаружить радиоизлучение. То, что мы его не зафиксировали, указывает на то, что частицы звёздного ветра никогда не подходят достаточно близко к горизонту событий Gaia BH2, чтобы аккрецировать и генерировать радиоволны, что, возможно, означает, что что-то их останавливает. Может быть, сильный ветер около горизонта событий, который выдувает их? Я с волнением начал представлять все возможные причины этого явления.
Моя мысль на мгновение коснулась гипотетического семейства чёрных дыр, которые мы никогда не обнаруживали непосредственно, их называют изолированными или скитальцами. У них вообще нет спутника, и предполагается, что около 100 миллионов таких чёрных дыр бесшумно странствуют по нашему Млечному Пути. Можем ли мы отыскать их, когда они взаимодействуют с редкими потоками газа и пыли? Однако, основываясь на результатах от Gaia BH2, очевидно, что шансов нет. Глубокий космос не является идеальным вакуумом, но он гораздо более пуст, чем пространство, где расположены чёрные дыры Gaia. Если чёрная дыра изолирована, то отсутствие излучения от Gaia BH1 и BH2 намекает на то, что невозможно обнаружить подобные чёрные дыры-скитальцы регистрируя электромагнитное излучение от их аккреционного диска, и нам всё ещё потребуется некоторое время, чтобы подтвердить их существование с использованием современных технологий. Это была увлекательная и одновременно пугающая мысль, словно из научно-фантастического рассказа, оживлённая полученными мной радиоданными.
Эта новая группа чёрных дыр может быть самой тёмной из всех, которые мы обнаружили напрямую, не видя при этом рентгеновских лучей или гравитационных волн, но захватывающие новости заключаются в том, что наши исследования только начинаются. Миссия Gaia ещё далеко не завершена, и Европейское космическое агентство планирует собирать данные для всё более точных измерений на миллионах объектах до 2030 года. В следующем пакете данных, публикация которого запланирована на 2025 год, мы ожидаем появление в каталоге десятков новых членов этого нового семейства чёрных дыр, ожидающих своего обнаружения. И когда это произойдёт, мы будем готовы.
Чёрная дыра не сосёт!
Одно распространённое заблуждение о чёрных дырах заключается в идее о том, что они похожи на космические пылесосы, всасывающие и поглощающие всё вокруг. Однако это не так: хотя чёрная дыра содержит много массы в очень малом пространстве, она не прилагает никакую дополнительную силу помимо той же гравитации, которую Солнце, Земля или любой другой объект с массой имеет во Вселенной.
В качестве примера представьте, что Солнце мгновенно превратилось бы в чёрную дыру. Наша новая «чёрная дыра Солнце» была бы той же массы, но радиусом всего в 1,6 километра или около того. Удивительно, но Земля и все планеты продолжили бы движение по тем же траекториям, что и раньше, непотревоженные. Единственное, если бы вы приблизились слишком близко к чёрной дыре, вы были бы разорваны на части, так же как и Солнце в настоящее время испепеляет кометы, которые приближаются слишком близко. Но если бы вы держались на расстоянии, не было бы опасности быть «засосанным» внутрь.