Сами по себе чёрные дыры не видны, но рентгеновское и радиоизлучение, исходящее от материи, находящейся рядом с ними, может дать нам представление об их местоположении и физических свойствах
В центре практически каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, в месте нахождения которой собралась материя массой в миллионы или даже миллиарды солнечных. Однако вокруг неё должно находиться не только множество быстро движущихся звёзд, но и десятки тысяч более мелких чёрных дыр, сформировавшихся из останков массивных звёзд, которые должны были быть вблизи галактического центра. Наблюдая за пространством вокруг Стрелец А*, нашего чудовища в центре Млечного Пути массой в четыре миллиона солнечных, мы обнаружили звёзды, пыль, газ, электромагнитное излучение, и всё, что ожидали, за одним исключением: никаких свидетельств наличия этих чёрных дыр меньшего размера. Ожидалось, что в регионе диаметром всего шесть световых лет и центром в Стрелец А* их найдётся более десяти тысяч, однако их там не нашлось. То есть, до тех пор, пока мы не придумали новый хитроумный метод, благодаря которому за один только прошлый год мы нашли их уже десяток. Из этого следует, что эти чёрные дыры действительно там есть, и теперь у нас есть идея по поводу того, как их найти.
Композитное изображение чёрной дыры в центре нашей Галактики из рентгеновских и инфракрасных лучей: Стрелец А*. Её масса составляет четыре миллиона солнечных, и она окружена горячим газом, испускающим рентгеновские лучи, звёздами, и, потенциально, многими тысячами более мелких чёрных дыр.
Регион космоса, окружающий чёрную дыру в центре нашей Галактики заполнен материалом, который можно обнаружить только за пределами видимого спектра. Хотя там без сомнения находится множество звёздных источников света, пыли, заполняющей плоскость нашего Млечного Пути, оказывается вполне достаточно для того, чтобы заблокировать весь свет, который иначе прошёл бы 25 000 световых лет, чтобы достичь наших глаз. Но на больших длинах волн, в инфракрасном и радиодиапазоне, есть свет, способный пробиться к нам, и открыть наличие в центре звёзд и газа, а рентгеновское излучение на более коротких длинах волн может выдать нам огромное количество информации об энергетических источниках излучения и происходящих там событиях.
Изображение галактического центра в свете различных длин волн демонстрирует звёзды, газ, излучение и чёрные дыры, а также другие источники. Но свет, идущий от них всех, от гамма-лучей до видимого света и радиоволн, может говорить лишь о том, что способны уловить наши инструменты на расстоянии в 25 000 с лишним световых лет.
Когда мы изучаем окружающее Стрелец А* пространство, мы видим большое количество звёзд, движущихся вокруг центральной чёрной дыры, а также периодические вспышки, возникающие в процессе поглощения чёрной дырой различных комков материи. Из того, что мы видим, можно представить себе, на что похож этот регион пространства: он полон материи, способной активно создавать звёзды, и богат тяжёлыми элементами. Присутствующие там газ и пыль создают идеальную среду для активного формирования звёзд, что, как говорят наши наилучшие теории, там как раз и происходит. Там должно формироваться много звёзд с большим разнообразием масс, из которых должно получаться довольно большое количество сверхновых, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Именно из этих данных мы делаем оценку того, что в радиусе трёх световых лет от Стрелец А* должно существовать порядка 10 000 – 20 000 чёрных дыр.
Целая толпа звёзд была обнаружена рядом со сверхмассивной чёрной дырой в ядре Млечного Пути. Кроме этих звёзд, газа и пыли, мы ожидаем, что в этом регионе окажется не менее 10 000 чёрных дыр, расположенных всего в нескольких световых годах от Стрелец А*, но до сих пор обнаружить их было довольно сложно.
Но, несмотря на предсказание, у нас есть проблемы с наблюдением этих чёрных дыр. И тому есть убедительная причина: большую часть их сложно наблюдать, поскольку они не испускают излучения, которое мы могли бы уловить. Для обнаружения изолированных чёрных дыр, бывших единственными звездами в своей системе, у нас нет рабочего способа. Но чтобы увидеть чёрные дыры, существующие в двойных системах, в которых чёрная дыра и звезда движутся вокруг друг друга, существует хитрый способ: мы ищем яркие вспышки рентгеновских лучей, испускаемые такими системами. Согласно астрофизику Чаку Хэйли:
Это очевидный способ поиска чёрных дыр. Но галактический центр так далеко от Земли, что подобные вспышки оказываются достаточно сильными и яркими, чтобы мы смогли их увидеть, лишь раз в 100 – 1000 лет.
И поскольку нам пока не повезло, нам нужен был другой метод.
Чёрная дыра известна тем, что поглощает материю и обладает горизонтом событий, с которого ничего не может убежать. Но за пределами горизонта она может испускать рентгеновское излучение. Оно может идти как в форме крупных вспышек, так и в форме постоянного, относительно тихого потока, возникающего благодаря медленному поеданию соседа ЧД
Именно в этот момент команда Хэйли пришла на помощь. Вместо того, чтобы искать двойную систему со звездой и чёрной дырой в активном состоянии, характеризующемся вспышками, они поняли, что можно искать следы менее энергичных рентгеновских волн, которые должны были существовать во время неактивности этих систем. Хэйли продолжает:
Всё было бы просто, если бы двойные системы с чёрной дырой постоянно испускали бы мощные вспышки, как это делают двойные системы с нейтронной звездой, но это не так, поэтому нам пришлось изобрести другой способ их поиска. Когда чёрная дыра сближается со звездой малой массы, это партнёрство испускает рентгеновские вспышки, которые получаются слабее, но они постоянные и их можно обнаружить.
На отслеживание подобных эффектов в галактическом центре в рентгеновском диапазоне должна была уйти уйма времени, и без чётко указанной цели такой проект бы не одобрили. Но у команды Хэйли был козырь: такие данные существовали благодаря рентгеновской обсерватории Чандра.
Сверхмассивная чёрная дыра нашей Галактики была свидетелем чрезвычайно ярких вспышек, но ни одна из них не была такой яркой или длительной, как XJ1500+0134. Благодаря такого рода событиям Чандра набрал огромный объём данных за 19 лет наблюдений за галактическим центром.
Чандра периодически наблюдал за галактическим центром большую часть 19 лет. Изучив полный набор архивных данных, команда смогла обнаружить удивительную вещь: рентгеновские признаки наличия двенадцати независимых, неактивных, тихих двойных систем из чёрной дыры и звезды. Учитывая, что в Млечном Пути мы пока обнаружили всего 60 чёрных дыр, это серьёзное увеличение их количества – но не только. Все эти 12 систем ЧД/звезда находятся в пределах трёх световых лет от Стрелец А*, и их существование позволяет нам сделать нечто более интересное: оценить общее количество существующих в этом регионе чёрных дыр. На основе собранных данных там должно быть где-то 300 — 500 систем, состоящих из чёрной дыры и звезды, и порядка 10 000 изолированных чёрных дыр.
В центрах галактик существуют звёзды, газ, пыль, и (как мы теперь знаем) чёрные дыры, которые вращаются вокруг и взаимодействуют с центральным сверхмассивным объектом галактики.
Это потрясающее открытие, и оно было возможным только в рамках нашего Млечного Пути. Зная о существовании порядка 10 000 чёрных дыр в окрестностях нашей сверхмассивной чёрной дыры, мы можем оценить, что происходит в центре каждой галактики со сверхмассивной чёрной дырой: тысячи и тысячи обычных чёрных дыр, движущихся вокруг неё. В 2030-х Европейское космическое агентство запустит Улучшенную космическую антенну, использующую принцип лазерного интерферометра (eLISA, ранее LISA), космический детектор гравитационных волн с очень длинными плечами. В отличие от систем с близко расположенными телами малой массы и малым периодом обращения, к которым чувствительна LIGO, eLISA впервые сможет обнаружить чёрные дыры с большим периодом обращения, долго сближающиеся по спирали и сливающиеся со сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик.
За последние два года на Земле были обнаружены гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд и чёрных дыр. Создав гравитационную обсерваторию в космосе, мы сможем поднять чувствительность до уровня, способного предсказывать слияния со сверхмассивными чёрными дырами.
Это чрезвычайно важное исследование, поскольку оно даёт нам первое реальное свидетельство того, что будет искать eLISA, что ещё сильнее мотивирует нас на поиски таких событий, которые, как нам сейчас уже известно, могут существовать. В отличие от чёрных дыр LIGO, во время этих процессов сближения у нас будут недели, месяцы или даже годы форы, что позволит нам чётко узнать, когда и в какую точку необходимо будет смотреть, чтобы увидеть слияние. Это первое подтверждение теории о существовании десятков тысяч чёрных дыр вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, и оно позволяет нам лучше предсказывать, как много связанных с ними событий, вызывающих гравитационные волны, мы сможем зарегистрировать.
Вся нужная нам информация по этому поводу находится в центрах галактик, включая и нашу. Впервые мы можем быть уверенными в том, что чёрные дыры – не космические редкости, они существуют в огромных количествах в каждой галактике по всей Вселенной.
Автор: SLY_G
