Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Шрифт:
Черные дыры средней массы
Астрономы потратили десятилетия, пытаясь найти черные дыры, масса которых была бы больше, чем у остатков звезд, и меньше, чем у сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в ядрах гигантских галактик. По массе такие объекты были бы сопоставимы с сотнями и даже многими тысячами солнц. Успех пришел совсем недавно, и пока в «Энциклопедии черных дыр» перечислены только шесть кандидатов. Три из них находятся в центрах шаровых скоплений, а остальные — в центрах маломассивных галактик или в дисках других галактик, более массивных. Недавно международная команда астрономов выдвинула еще несколько десятков кандидатов в черные дыры средней массы. Выявить присутствие таких черных дыр по отношению к их галактикам-хозяйкам важно, поскольку это поможет астрофизикам определить,
Сверхмассивные черные дыры
Наилучшие доказательства существования черных дыр можно найти в центрах крупных галактик. Спектроскопия высокого разрешения позволила нам заглянуть в самые потаенные галактические уголки и получить данные о сверхмассивных черных дырах, содержащих от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Спектроскопия показывает звезды, которые чрезвычайно быстро движутся по своим орбитам, а это возможно только в том случае, если в пределах этих орбит располагается огромная гравитирующая масса. Высокая пространственная разрешающая способность космического телескопа «Хаббл» позволила «засечь» звезды, удаленные от центров галактик всего на несколько десятков световых лет. Предполагаемые массы этих центров, с которыми часто сочетается ассоциируемая ядерная активность — это сильный довод в защиту идеи, согласно которой в ядрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры.
Кроме того, астрономы выявили важную взаимосвязь между массами черных дыр, находящихся в центрах галактик, и массами окружающих их галактических балджей. Соотношение массы черной дыры к балджу составляет примерно 1:1000. Эта стойкая взаимосвязь подразумевает, что черные дыры и галактические балджи, вероятно, эволюционировали вместе. Однако подробности их совместной эволюции остаются неясными.
Но самые убедительные свидетельства существования сверхмассивных черных дыр мы найдем в центре Млечного Пути, поскольку он в 90 с лишним раз ближе, чем центр любой другой гигантской галактики, и его можно изучить гораздо более подробно. При помощи огромных телескопов «Кек», расположенных на Гавайях — на вершине горы Мауна-Кеа, — Группа галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Андреа Гез более 10 лет отслеживала самые далекие звезды Галактики. В частности, звезда S0-2 находится на расстоянии 0,0019 светового года (120 а. е.) от центра Млечного Пути. Эта протяженность эквивалентна радиусам орбит некоторых транснептуновых объектов в самых отдаленных уголках нашей Солнечной системы. И если учесть такое расстояние, то стремительная скорость S0-2, составляющая 2,5 % от скорости света, позволяет астрономам предположить, что в этой области находится сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн M?. (В 2020 году Андреа Гез и Райнхард Генцель получили за это достижение Нобелевскую премию по физике.)
Совсем недавно группа Калифорнийского университета в Лос- Анджелесе построила кинематическую модель орбитального движения звезды S0-2 в трехмерном пространстве. Эта дополнительная информация показала, что траектория движения S0-2 согласуется не с законом обратных квадратов Ньютона, а с теорией относительности Эйнштейна. Эйнштейновское искривление пространства-времени в присутствии столь концентрированного вещества по-прежнему дает нам наилучшую модель, благодаря которой мы понимаем, как ведут себя материя и свет вблизи черных дыр.
В 2019 году в мировой прессе широко освещались еще более важные новости, касающиеся сверхмассивных черных дыр. 10 апреля команда проекта «Телескоп горизонта событий» объявила, что им удалось получить изображение сверхмассивной черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Объединив радиосигналы из восьми обсерваторий, расположенных в разных точках планеты, команда смогла создать снимок с достаточно мелкими деталями, чтобы можно было рассмотреть черную дыру (см. eventhorizontelescope.org). Световое кольцо, заметное на снимке, астрономы интерпретируют как гравитационно линзированное излучение, исходящее от вещества, расположенного сразу за горизонтом событий черной дыры. Команда нацелила свои радиотелескопы и на гораздо более близкую сверхмассивную черную дыру в Млечном Пути. Однако на момент написания этого текста они еще не сообщили о каких-либо результатах.
За время работы над этой книгой область гравитационно-волновой астрономии превратилась из «погони за химерами» в признанную науку огромной важности. Гравитационное излучение было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году как основной результат его теории относительности, в которой ньютоновские силы заменяются искривлением пространства-времени в присутствии материи. Эта же теория предсказывала, что любое асимметричное возмущение в расположении гравитирующей материи вызовет серию распространяющейся наружу «ряби» в ткани пространства-времени — гравитационную волну. Экспериментальные поиски гравитационного излучения начались в конце 1960-х годов, но только в конце 1980-х годов мы начали создавать достаточно точные приборы. Необходимая точность невероятна, поскольку воздействие проходящей гравитационной волны от удаленного источника искривит ткань пространства-времени на Земле на уровнях, меньших 1 % диаметра протона!
14 сентября 2015 года в двух отделениях Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), одновременно зафиксировали гравитационно-волновой «писк», длившийся менее секунды, с резко возросшей частотой. Источник этого сигнала, согласно самым лучшим моделям, был определен как пара закручивающихся по спирали и сливающихся черных дыр. Их массы были эквивалентны 36 и 29 M?, что помещает их в верхнюю категорию черных дыр звездной массы. За это удивительное достижение, к которому команда LIGO готовилась 25 лет, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
17 августа 2017 года две обсерватории LIGO и недавно введенная в эксплуатацию обсерватория VIRGO в Италии обнаружили более слабое, но гораздо более продолжительное гравитационное излучение от двух сливающихся нейтронных звезд. Третья гравитационно-волновая обсерватория позволила астрономам провести триангуляцию области неба, в которой находился источник, чтобы проводить последующие телескопические наблюдения по всему электромагнитному спектру. Оказалось, что в эллиптической галактике, отдаленной от нас на 130 млн световых лет, произошло интенсивное слияние. Это привело к образованию килоновой, которую можно было отслеживать в обсерваториях с помощью гамма-телескопов и рентгеновских телескопов. Гигантский взрыв высвободил огромное облако нейтронов, которые затем вновь собрались в «бродячий цирк» тяжелых атомных ядер. Теперь некоторые астрофизики считают, что золото в наших ювелирных изделиях и уран в наших реакторах родились из подобных столкновений нейтронных звезд.
С первого открытия, произошедшего в 2015 году, мы обнаружили гравитационно-волновые сигналы от более чем двадцати случаев слияния. Тем временем по всему миру в режиме реального времени создаются новые инструменты. И именно сейчас зарождается гравитационно-волновая астрономия, которая обещает найти гораздо больше остатков слившихся и взорвавшихся компактных звезд — это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, — а также охарактеризовать коллапс ядра сверхновых, понять процессы нуклеосинтеза тяжелых элементов, отследить слияния сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и, возможно, когда-нибудь выявить сам Большой взрыв.
Темная материя
Вероятность существования темной материи в галактиках и в более обширном космосе становится все более очевидной. Исторически сложилось так, что первое научно обоснованное предположение о невидимой форме материи сделал в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, славившийся своей вспыльчивостью. С помощью представления об этой материи, которую мы сейчас именуем «темной», Цвикки, сотрудник Калифорнийского технологического института, объяснял высокие скорости движения галактик в изобилующих ими галактических скоплениях. Целый рой этих галактик обладал такой скоростью, ограничить которую гравитация видимых звезд, газа и пыли внутри них просто не могла, — и, по всей видимости, в скоплениях присутствовало что-то еще. Цвикки назвал это «скрытой массой», но на самом деле она не скрывается, а скорее присутствует в некой странно «темной» форме.