Теорія неймовірності

Як побачити чорну діру?

Як можна побачити те, що апріорі невидиме? Жодна з форм електромагнітного випромінювання не виривається за межі гравітаційного впливу чорної діри, тож як переконатися, що хоч одна існує?

Концепція чорної діри виникла на початку XX століття. Існування точкових об’єктів із нескінченною густиною безпосередньо випливало з ейнштейнівської загальної теорії відносності, проте минуло аж пів століття, доки вчені поставилися до цієї ідеї серйозно. Та й то не всі. Чимало з них залишалися скептичними й насміхалися з колег, які вірили в реальність чорних дір. Зараз це звучить дещо дивно, зважаючи, що за останні три десятиліття астрономи й астрофізики напрацювали щонайменше пів десятка способів виявляти чорні діри.

Річ у тім, що чорні діри здебільшого є не ізольованими об’єктами й, попри те, що нічого не випромінюють самі, взаємодіють із середовищем. Ця взаємодія така бурхлива, що не помітити її неможливо.

Чорні діри зоряної маси утворюються після загибелі надмасивних зір, усередині яких вигоріло паливо для термоядерного синтезу та які далі не можуть опиратися гравітаційному колапсові. Часто такі зорі не самотні. Власне, чи не половина зоряних систем у космосі є подвійними. Тобто складаються із двох зірок, які обертаються довкола спільного центру мас.

Отож уявімо систему з двох масивних блакитних гігантів. Одна із зірок зазвичай є більшою, стискає свої надра сильніше, а тому горить бурхливіше, вигорає швидше та спалахує надновою, залишаючи по собі чорну діру. Менша компаньйонка в цей час продовжує спокійно палати. Відтак маємо систему, однією з компаньйонок якої є чорна діра, а другою — проста масивна зоря. Вони немовби кружляють у танці одна довкола одної, і під час цього танцю чорна діра перетягує на себе частину речовини зі своєї партнерки. Речовина перед наближенням до горизонту подій закручується та розігрівається, формуючи довкруж чорної діри акреційний диск. Розжарена до мільйонів градусів плазма в цьому дискові випромінює жорсткі рентгенівські промені, які можна зафіксувати на значній відстані.

Саме в такий спосіб учені виявили першу в історії астрономічних спостережень чорну діру. За шість тисяч світлових років від Сонячної системи в сузір’ї Лебедя є потужне джерело рентгенівських променів із назвою Лебідь X-1. Детальніші дослідження показали, що Лебідь X-1 — це подвійна система. Першою її компонентою є в сорок разів важчий за Сонце блакитний надгігант. Друга компонента, що, як припускають, і є джерелом рентгенівських променів (блакитні гіганти не світяться в рентгенівському діапазоні), виявилася невидимою. За виконаними розрахунками, її маса дорівнює приблизно двадцятьом масам Сонця, а радіус не перевищує трьохсот кілометрів. Уявляєте? Двадцять сонць у кульці, яка легко помістилася б між Львовом і Києвом. Єдиним астрономічним об’єктом, який за такої маси здатен втиснутися в таку крихітну сферу, є чорна діра.

Іще один цікавий спосіб виявлення чорних дір — це гравітаційне лінзування. Чорна діра так викривлює простір, що він спрацьовує як лінза. Світло від віддалених зірок чи галактик, огинаючи просторову лінзу, розщеплюється та спотворюється, формуючи так звані кільця Ейнштейна. Тобто якщо астрономи бачать на небі сплющені й немовби віддзеркалені зображення одного й того самого небесного об’єкта — інакше кажучи, спостерігають ефект лінзування, — а в ділянці, де мала б розташовуватися ця уявна лінза, немає видимого масивного тіла, то майже напевно там розташовується чорна діра.

Чорні діри також можна виявити за їхньою взаємодією між собою, тобто за посередництва гравітаційних хвиль. Учені навчилися це робити зовсім нещодавно, якихось кілька років тому. Повернімося до системи X-1 у сузір’ї Лебедя. Одним із її компаньйонів є блакитний надгігант із масою сорок сонячних. Така масивна зоря зрештою також сколапсує в чорну діру. Як наслідок виникнуть дві чорні діри, що, обертаючись, поволі зближуватимуться. За якийсь час вони зіллються, а потім простором поширяться гравітаційні збурення — такі собі брижі від падіння каменя у водойму. Ці збурення, або гравітаційні хвилі, безперешкодно розходитимуться на колосальні відстані й дозволять астрономам фіксувати злиття чорних дір за мільярди світлових років від Сонячної системи. Уперше таку подію успішно зареєстрували 14 вересня 2015 року. Вчені спостерегли відлуння бурхливого об’єднання двох чорних дір із масами 36 і 29 сонячних на відстані 1 мільярда 300 мільйонів світлових років від Землі. Це стало першим в історії науки експериментальним виявленням гравітаційних хвиль, і 2017 року фізики Райнер Вайс, Беррі Беріш і Кіп Торн отримали за це Нобелівську премію.

Доказом існування чорної діри може бути її гравітаційний вплив на тіла, які обертаються поблизу. Скажімо, для підтвердження гіпотези, що в центрі нашої галактики розташовується надмасивна чорна діра, вчені протягом десяти років відстежували траєкторії невеликої групи зірок у центральній частині Чумацького Шляху. Вони виснували, що єдиним поясненням надзвичайно швидкого руху цих зір може бути компактний об’єкт із масою близько 4 мільйонів сонць. З огляду на об’єм, у який цей об’єкт має бути втиснутий, а також те, що ми безпосередньо його не бачимо, висновок є однозначним: у центрі галактики абсолютно точно сидить велетенська чорна діра.

Словом, подібних прикладів вистачає. На сьогодні перелік підтверджених чорних дір охоплює кількадесят об’єктів, і він постійно поповнюється. Що, погодьтеся, доволі непогано як на гравітаційну аномалію, яку трохи понад пів століття тому вважали вигадкою фантастів.