За допомогою унікальних даних із Gaia можна спостерігати за таємничими танцями прихованих чорних дір з їхніми зірками-компаньйонами.
У Всесвіті, повному захопливих і екзотичних явищ, мало які об’єкти кидають виклик уяві так само як чорні діри.
Однак відкриття нових чорних дір є непростим завданням, адже ми навіть не підозрюємо, де їх шукати. Нещодавні дослідження дали змогу виокремити нову категорію, яка охоплює найближчі чорні діри, про які ми знаємо.
Як астроном, я вивчаю чорні діри вже багато років і точно знаю, що знайти нові не так просто, як здається на перший погляд. Перше, на що слід звернути увагу, це те, що вони чорні: їхня гравітація настільки сильна, що навіть світло – найшвидша річ у Всесвіті – не може покинути горизонт подій, тобто вирватися після проходження точки неповернення. Тому астрономи можуть виявити чорні діри лише за їхньою взаємодією з іншими об’єктами, що знаходяться поруч. Наприклад, ми знаємо, що в центрі нашої галактики Чумацький Шлях причаїлася надмасивна чорна діра під назвою Стрілець A* (Sgr A*), маса якої у понад 4 мільйони разів перевищує масу Сонця. Астрономи вперше отримали уявлення про існування чорної діри, спостерігаючи, як зірки обертаються навколо невидимого об’єкта – то був результат доволі серйозний, адже за нього у 2020 році присудили Нобелівську премію з фізики. Два роки по тому, у травні 2022 року, співробітники телескопа горизонту подій оголосили, що їм вдалося об’єднати радіотелескопи по всьому світу, щоб зробити знімок Sgr A*. На ньому можна побачити дивовижне кільце гарячої плазми безпосередньо за межами горизонту подій, яке виникає, коли чорна діра акумулює блукаючий газ, який гравітаційні сили підштовхнули занадто близько до неї.
Чорні діри – погані господарі
Хоча у нашій галактиці є лише одна надмасивна чорна діра, вона є притулком для численних менших чорних дір, які утворюються після того, як масивні зорі (у понад 18 разів більші за наше Сонце) колапсують наприкінці свого життєвого циклу і вибухають, стаючи надновими. Нам відомо про існування кількох таких чорних дір саме в подвійних системах, адже ми можемо бачити гравітаційний танець, який виконують їхні зірки-компаньйони. Найвідоміша з них – чорна діра Cygnus X-1 (Cyg X-1), одне з найяскравіших джерел рентгенівського випромінювання на небі, попри те, що знаходиться на відстані близько 7000 світлових років від нас. Cyg X-1 стала першим джерелом, яке повсюдно визнали чорною дірою – насправді, астрофізики Кіп Торн і Стівен Гокінг у 1970-х роках уклали знамените парі про те, чи є Cyg X-1 чорною дірою, чи ні. Торн був за те, що це чорна діра, а Гокінг – проти. На початку 1990-х Гокінг із радістю поступився, коли докази цієї гіпотези стали очевидними.
Подвійні рентгенівські – це особливий, нетиповий вид систем. Чорна діра і зоря мають бути дуже близько, щоб можна було виявити подібне випромінювання. А як щодо подвійних систем, де відстань між двома об’єктами більша? А як знаходити чорні діри, які не мають компаньйона і, отже, знаходяться у просторі, де неможлива акреція? Чи можемо ми знайти такі чорні діри?
У минулому я мав би сказати, що ні. Самотні чорні діри, як я вже казав, абсолютно чорні. Але кілька місяців тому ситуація змінилася завдяки роботі місії Gaia Європейського космічного агентства (ЄКА) та астронома, на ім’я Карім Ель-Бадрі.
Гея: богиня землі, а тепер і точних даних
Зараз Карім працює доцентом астрономії в Каліфорнійському технологічному інституті. Він вирішив зайнятися пошуком чорних дір, коли навчався в аспірантурі Каліфорнійського університету в Берклі. «Я провів багато часу в аспірантурі, намагаючись знайти чорні діри, у яких не спостерігається процес акреції, але безуспішно», – згадує він. Я вперше зустрів Каріма, коли ми обидва були аспірантами в Гарвардському університеті, і тоді він уже мав репутацію «викривача чорних дір» – хоча це й не було його метою. Це сталося тому, що Карім присвятив час підтвердженню нібито відкритих чорних дір у роботах, опублікованих іншими астрономами. Але коли він вивчив дані, то не підтвердив існування жодної чорної діри – іншими словами, Карім виявив, що жоден з цих кандидатів у чорні діри не пройшов ретельну перевірку. «Їх просто не було, а також методи [які використовувалися для виявлення об’єктів] були неоптимальними», – каже він.
Однак один потенційний метод пошуку чорних дір привернув увагу Каріма. Йдеться про космічний апарат Gaia. Запущений у 2013 році, Gaia призначено для астрометрії, тобто він збирає точні дані про розташування мільйонів зірок. Gaia досягає цього, ретельно заміряючи положення кожної зірки на небі щокілька місяців. Чим більше часу минає, тим точнішими стають дані про кожну зірку. Кожні кілька років новий реліз даних Gaia оновлює попередні каталоги, що викликає сплеск активності астрономів і дослідників.
Коли в червні 2022 року вийшов останній реліз даних Gaia (під назвою Gaia DR3), Карім уже підготувався: він запустив комп’ютерний скрипт на величезному новому каталозі протягом п’яти хвилин після його виходу. Він спеціально шукав зорі з «коливанням» орбіти, спричиненим невидимим чорними дірами. Коли зоря перебуває в гравітаційно зв’язаній системі з іншим об’єктом, ці два об’єкти (може бути три або скільки завгодно) обертаються навколо спільного центру мас, який називається барицентром. Навіть якщо другий об’єкт невидимий, зоря буде рухатися вперед-назад відносно нашої, земної, точки спостереження. Після того, як орбіта встановлена, астрономи можуть застосувати закони Кеплера про рух планет, щоб обчислити масу компаньйона. Астрономи часто використовують цей метод для відкриття екзопланет, але до Gaia дані були недостатньо точними, щоб так можна було шукати чорні діри. Сьогодні точність спостережень Gaia дає змогу перевіряти координати ймовірних подвійних рентгенівських систем на наявність таких коливань, а також знаходити зорі, що коливаються, щоб дослідити їх системи, які якраз і можуть бути подвійними рентгенівськими.
Тепер, з Gaia DR3 в досвідчених руках Каріма, було виявлено дві зорі, які виділялися серед мільйонів інших в базі даних. Після завершення всіх розрахунків виявилося, що вони обертаються навколо двох найближчих до Землі чорних дір.
Нам вдалося знайти елемент пазлу?
Перша зоря, про яку ми говоримо, є подібною до Сонця настільки, наскільки це можливо. Вона має приблизно такий самий розмір і масу, як і Сонце, але знаходиться на відстані 1560 світлових років від нас. Зірка досить яскрава, щоб її можна було легко помітити за допомогою професійного телескопа. Однак на цьому схожість закінчується. На відміну від нашого Сонця, ця зірка обертається навколо невидимого масивного супутника кожні півроку, перебуваючи на дистанції, яку можна порівняти з відстанню між Марсом і Сонцем. Подальші спостереження для підтвердження орбіти показали, що невидимий об’єкт у 10 разів перевищує масу Сонця, тобто він набагато масивніший за видиму зорю. І це не може бути інша зоря, тому що така масивна зоря була б яскравішою і її було б легше помітити, ніж першу зорю, а крім того, жоден інший відомий об’єкт не може бути настільки масивним, але водночас темним. Цей простий метод виключення дає можливість стверджувати, що невидимим компаньйоном має бути чорна діра. Карім назвав її Gaia BH1: найближча відома чорна діра до Землі.
Відкриття потрапило в заголовки газет і сколихнуло астрономічну спільноту. Gaia BH1 не лише втричі ближча за найближчу чорну діру V616 Monocerotis, яка зараз займає перше місце, але й є прихованою чорною дірою, що свідчить про відсутність у неї акреційного диска, тобто вона не тягне матерію від свого супутника. Таких об’єктів раніше не знаходили. «Оскільки орбіта дуже широка, ми можемо спостерігати за еволюцією самої чорної діри, – пояснює Кеті Брейвік, астроном з Університету Карнегі-Меллона, яка вивчає, як еволюціонують зірки і чорні діри. «Це ціла золота жила для вивчення процесів формування чорних дір».
Одним із досі невідомих факторів є те, як взагалі утворилася така зоряна система. «Подвійна взаємодія з часом стискає орбіти, – розповідає Брейвік, – і наразі ми вважаємо, що неможливо ізольовано створити таку чорну діру», – переконана вчена. Іншими словами, ми не розуміємо, як виникла система Gaia BH1 (з її чорною дірою і схожою на Сонце зіркою), адже всі раніше відомі чорні діри в подвійних системах, ймовірно, еволюціонували, обмінюючись матеріалом зі своїм компаньйоном, коли вони ще були зірками. Ба більше, схожий на Сонце компаньйон виглядає абсолютно неушкодженим, без жодних ознак попередніх близьких «контактів» з іншою зіркою чи чорною дірою. «Це головоломка», – зазначає Брейвік.
Існує кілька версій: наприклад, якщо спочатку це була потрійна система, де один з компаньйонів був або виштовхнутий, або поглинутий чорною дірою. Але підтвердити таку версію було б надзвичайно складно. Або ж, можливо, зоря, схожа на Сонце, і зоря, яка згодом стала Gaia BH1, народилися в одному щільному скупченні зірок і їх виштовхнуло на спільну орбіту. Цей сценарій також важко довести на даному етапі, адже минуло вже мільйони років.
Відкриття породило й інші питання. Чи справді Gaia BH1 – це прихований об’єкт? Чи був він єдиним подібним об’єктом у космосі? Ось тут і з’явився я.
Виявляти чи не виявляти?
Якщо наукова репутація Каріма ґрунтується на розвінчуванні (а іноді й знаходженні) чорних дір, то моя – на виявленні радіовипромінювання від чорних дір, зазвичай тоді, коли вони розривають зірки на частини і поглинають їх (див. статтю How to swallow a star (Як проковтнути зорю)). Коли наприкінці 2022 року з’явилася новина про Gaia BH1, а мій офіс у Гарварді знаходився якраз через коридор від офісу Каріма, я забіг до нього і запитав чи розглядав він або його колеги можливість цільового спостереження джерела за допомогою Дуже Великого Масиву в Нью-Мексико (радіоастрономічна обсерваторія сантиметрової довжини хвилі на південному заході США). Адже ця сонцеподібна зоря точно вивільняє сонячний вітер із частинок, як і наше Сонце. І на такій «близькій» відстані від нас кількох годин роботи VLA, ймовірно, було б достатньо, щоб або виявити випромінювання при падінні цих частинок у чорну діру, або встановити, що вона повинна мати дуже низьку швидкість акреції.
Карім погодився і продовжив роботу над тим, щоб забронювати необхідний час спостереження VLA, щоб краще розгледіти об’єкт. На жаль, жодних радіохвиль у місці розташування Gaia BH1 не було виявлено. Але це були ще не всі погані новини – через кілька днів, радіючи результату, Карім сказав: «Знаєте, у мене є другий кандидат у даних Gaia, який буде другою найближчою до Землі чорною дірою, якщо його існування буде доведено. І це може бути кращим варіантом для виявлення радіовипромінювання, але вона знаходиться в Південній півкулі. Зацікавились?»
Не думаю, що хтось, хто стає астрономом, знайде сили відмовитися від такої можливості. Карім розповів мені всі деталі: Gaia BH2 знаходиться на відстані 3800 світлових років від нас, далі, ніж Gaia BH1. Вона лежить на відстані 5 а.о. від своєї подвійної зірки-компаньйона (приблизно відстань від Сонця до Юпітера), а це означає, що один оберт по орбіті займає 3,5 роки. Однак, на щастя, пара наблизиться одна до одної найближче (так званий періастрон) у лютому 2023 року. І до того ж зоря в цьому випадку є червоним гігантом. Наше Сонце колись стане червоним гігантом, коли в його ядрі почне закінчуватися водень. Воно роздуватиметься, охолоджуватиметься (що зробить його червоним) і утворюватиме набагато сильніший зоряний вітер. Отже, Gaia BH2 може бути далі від Землі, ніж Gaia BH1, але сильніший потік частинок цієї зірки підвищує ймовірність того, що ми виявимо випромінювання від акреції на чорну діру. А якби ми нічого не виявили, це б означало, що ми відкрили нову категорію чорних дір, які ми не маємо можливості спостерігати напряму за допомогою нинішніх технологій.
Були написані і схвалені пропозиції щодо екстрених спостережень на телескопі MeerKAT у Південній Африці, і наше спостереження було заплановане на періастрон. Не встиг я озирнутися, як настали сніжні зимові вихідні в Новій Англії, і я прокинувся від сповіщення на пошті. В електронному листі повідомлялося, що спостереження пройшло успішно. Тепер можна було починати справжню забаву!
Є кілька причин, чому я вирішив стати астрономом. Але кожного разу, коли я отримую нове спостереження, лише одна з них домінує в моїй свідомості: та мить, коли після нетерплячого очікування передачі даних з іншого кінця світу, вона завершується, і ти на короткий час стаєш єдиною людиною у світі, яка знає щось нове про космос. Як би ви описали таке значуще відчуття, що сповнює душу, особливо коли йдеться про те, чи зможемо ми виявити новий тип чорної діри? Це затягує, можу вам сказати!
Коли на моєму екрані з’явився порожній, чорний клаптик пікселів, я не дуже здивувався, адже розумів, що це буде не так просто. Не виявити щось ніколи не буває так цікаво, як виявити, але цього разу відсутність випромінювання сама по собі викликала у мене здивування. Виходячи з нашого розуміння чорних дір і зоряного середовища, ми дійсно мали б побачити радіовипромінювання. Той факт, що ми його не виявили, означає, що частинки зоряного вітру ніколи не наближаються достатньо близько до горизонту подій Gaia BH2, щоб почати процес акреції і генерувати радіохвилі, а це, можливо, означає, що їх щось зупиняє. Можливо, сильний вітер поблизу горизонту подій здуває їх? Я схвильовано почав уявляти собі всі можливі причини.
На якусь мить розум привів мене до гіпотези про сім’ю чорних дір, які ми поки ніколи напряму не виявляли, їх називають ізольованими чорними дірами, або чорними дірами-ізгоями. Вони не мають жодного супутника, і вважається, що приблизно 100 мільйонів з них тихо блукають нашим Чумацьким Шляхом. Чи можемо ми виявити їх, коли вони взаємодіють з випадковими блукаючими газом і пилом? Судячи з результатів Gaia BH2, ні. Глибокий космос не є ідеальним вакуумом, але він набагато більш порожній, ніж простір, де знаходяться чорні діри Gaia. Якщо чорна діра ізольована, то відсутність випромінювання від Gaia BH1 і BH2 натякає на те, що неможливо виявити чорні діри-ізгої електромагнітним шляхом за їхньою акрецією, і що нам ще знадобиться чимало часу, щоб підтвердити їхнє існування, враховуючи сучасні технології. Це захоплююча й жахлива думка прямо з науково-фантастичного оповідання, яка втілилася в життя за допомогою радіоданих, які прийшли мені не емейл.
Можливо, це нове сімейство чорних дір є найтемнішим з тих, які ми напряму виявили, не фіксуючи рентгенівського випромінювання чи гравітаційних хвиль, але чудова новина полягає в тому, що наші дослідження – це лише початок. Місія Gaia ще не завершена, і ЄКА планує збирати дані для ще більш точних вимірювань мільйонів об’єктів до 2030 року. У наступному випуску даних, запланованому на 2025 рік, ми очікуємо, що в каталозі з’являться ще десятки інших представників цього нового сімейства чорних дір, які чекатимуть на відкриття. І коли це станеться, ми будемо готові.
Чорні діри не смокчуть!
Однією з поширених хибних уявлень про чорні діри є ідея, що вони схожі на космічні пилосмоки, які затягують і поглинають все, що знаходиться поблизу них. Однак це не так. Хоча чорна діра утримує велику масу в дуже малому об’ємі, вона не чинить ніякої додаткової сили, окрім тієї самої гравітації, яку мають Сонце, Земля чи будь-який інший об’єкт, що має масу у Всесвіті.
Для прикладу, уявіть, що Сонце негайно колапсувало б у чорну діру. Наше нове «Сонце-чорна діра» мало б таку саму масу, але радіусом булоб 1,6 кілометра. Дивно, але Земля і всі планети продовжували б обертатися по тих самих траєкторіях, що й раніше, без жодних змін. Лише якщо ви наблизитесь до чорної діри надто близько, вас розірве на шматки. Однак Сонце так само розриває на шматки комети, які пролітають надто близько до нього. Тож якщо тримати дистанцію, то чорна діра вас не затягне.
За авторством Іветт Сендес
Опубліковано: 1 травня 2024 року