Чёрные дыры — одни из самых загадочных и пугающих объектов во Вселенной. Обычно чёрные дыры притягивают все объекты вокруг и не пропускают за границы своего влияния даже свет, но никто не знает, что находится «по ту сторону». Уверенными быть можно только в одном — рядом с этими объектами всё очень и очень странно. А одна из сверхмассивных чёрных дыр находится прямо в центре нашей галактики.
Как она выглядит и чем опасна?
В июне 2020 года Институт космических исследований Российской академии наук и Институт внеземной астрофизики Общества Макса Планка опубликовали новую карту неба, полученную российской космической обсерваторией «Спектр-РГ». На ней видно более миллиона объектов — это вдвое больше источников рентгеновского излучения, чем обнаружили за всю историю рентгеновской астрофизики (а она насчитывает немногим менее 60 лет).
В центре карты и Галактики Млечный путь находится объект под названием Стрелец A* — сверхмассивная чёрная дыра, которая в 4 миллиона раз массивнее Солнца. Изучать подобные объекты — одна из главных задач обсерватории, чёрные дыры часто находятся и в центрах других галактик, а одну из них даже удалось «сфотографировать» в процессе поглощения вещества. Следующая цель учёных — узнать, как формируются такие объекты, ведь с этим связано и то, как образовывались и росли галактики.
Остатки вспышек сверхновых звезд, радиопульсар, скопление молодых звезд, сверхмассивные черные дыры и скопления галактик за пределами Млечного Пути — изображения, полученные в ходе сканирования неба «Спектр–РГ» Роскосмос
Несмотря на внушительную массу, Стрелец A* не может причинить вред Земле. Наша планета находится в «рукаве» ближе к окраине Галактики, а сверхмассивная чёрная дыра — в 26 тысячах световых лет в самом центре Млечного пути. В то же время это значит, что информация, которую учёные узнают о космическом объекте сейчас, приходит с задержкой как минимум в 26 тысяч лет.
Но Стрелец А* угрожает объектам поблизости. В центре Галактики находится не только сверхмассивная чёрная дыра, но и так называемая «перемычка» — область, в которой сконцентрированы самые яркие звёзды в самых больших количествах. «Перемычка» состоит из тысячи светил на один кубический парсек пространства, расстояние между которыми в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца, — и многие из них могут стать «жертвами» Стрельца А*.
Карта неба, полученная российской космической обсерваторией «Спектр-РГ» Роскосмос
Астрономы могут наблюдать не сами чёрные дыры, а лишь их влияние на другие космические объекты. Чаще всего они видят аккреционный диск — светящуюся изогнутую «пластинку» вокруг чёрной дыры: материя там движется так быстро, что создаёт видимое излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра. В том числе в видимом, но далеко не только в нём.
Ещё чёрную дыру можно отследить по траектории проходящих мимо тел. Так обнаружили и Стрельца А*: учёные 10 лет наблюдали за звездой S2, которая двигалась вокруг него с полным оборотом в 15 с небольшим лет. Исследователи изучили орбиту светила и предположили, что она движется вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Шестнадцатилетние наблюдения подтвердили гипотезу.
Звезда S2 находится в непосредственной близости к Стрельцу А*, но его жертвой она не стала: как и другие объекты, сверхмассивные чёрные дыры подчиняются законам гравитации, поэтому вокруг них могут вращаться звёзды и даже планеты. Главное — соблюдать правильную дистанцию.
Чёрная дыра — не «сливная труба», засасывающая всё вокруг.
Чтобы попасть в чёрную дыру, объект должен подлететь достаточно близко. Пока в чёрные дыры не попадал ни один научный аппарат с Земли, поэтому у учёных есть лишь предположения о том, как это может происходить.
Художественное изображение разрушения звезды под действием приливных сил вблизи сверхмассивной черной дыры Роскосмос
По современным представлениям, у всех чёрных дыр есть «горизонт событий» — точка невозврата, после пересечения которой события уже не могут повлиять на наблюдателя за его пределами. Это условное понятие, конкретной наблюдаемой границы не существует, но в какой-то момент все притянутые дырой объекты пересекут горизонт событий.
Самая большая опасность падения в чёрную дыру — даже не невозможность её покинуть, а то, что называют приливными силами. Благодаря этим же силам на Земле происходят приливы и отливы: на них влияют Луна и Солнце. В случае с чёрной дырой приливные силы настолько мощные, что начинают одновременно растягивать и сжимать падающее тело в двух направлениях, возрастая до бесконечности.
Этот процесс называют «спагеттификацией» — учёные считают, что любое тело, попавшее в поле действия чёрной дыры, разрушается и превращается в тонкую струю материи. Но у сверхмассивных чёрных дыр иные правила: у них эта точка находится в пределах горизонта событий, поэтому человек может пересечь его, не заметив деформаций.
Страннее всего поглощение чёрной дырой будет выглядеть для наблюдателя с Земли. Если отправить к чёрной дыре спутник, можно увидеть, как он будто бы бесконечно замедляется, а излучение дыры становится краснее. Дело в том, что время для самого объекта и наблюдателя к этому моменту уже течёт по-разному — наблюдатель увидит процесс в «замедленной съёмке».
Может ли Солнце стать чёрной дырой
Существует четыре основных сценария для появления чёрных дыр:
— резкое сжатие массивной звезды;
— гравитационный коллапс центральной части галактики;
— формирование первичных чёрных дыр после Большого взрыва;
— возникновение высоких энергий в ядерных реакциях.
Главной версией до сих пор считается «смерть» звёзд. Все светила в космосе — это огромные природные термоядерные реакторы, которые синтезируют из самых простых элементов более сложные. На этапе жизни как у Солнца они синтезируют гелий из водорода, выделяя в процессе энергию. Когда «топливо» для реакции заканчивается, дальнейшая судьба звезды зависит от её массы и состава. Звёзды небольших масс могут постепенно увеличиваться в размерах, стать «красными гигантами», а потом сбросить оболочку и превратиться в «белых карликов», остывающих миллионы лет. А более массивные светила способны стать сначала сверхновой звездой, а затем и чёрной дырой.
Считается, что превращение звезды в чёрную дыру происходит после взрыва сверхновой, когда звезда сбрасывает оболочку и остаётся только очень плотное ядро. Если оно при этом достаточно массивное, то начинает коллапсировать: энергия термоядерного синтеза уже не может противостоять гравитации и ядро «падает на себя». Оно сжимается со скоростью 70 тысяч километров в секунду, это приводит к ещё большему росту температуры и плотности, пока не появляется чёрная дыра.
О формировании чёрных дыр всё ещё известно немного, но учёные уже могут с уверенностью утверждать, что Солнцу не стать чёрной дырой.
Солнцу не хватает массы: чтобы стать чёрной дырой, звезда должна быть хотя бы в 2,2 раза больше, поэтому светило в конце жизненного цикла станет белым карликом. Но это случится лишь через миллиарды лет: Солнце находится только в середине жизненного пути — ему всего 4,6 миллиарда.
Что мы можем узнать о чёрных дырах в ближайшее время
Изучение сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного пути — далеко не единственная задача космической обсерватории Роскосмоса «Спектр-РГ». Она должна стать главным «навигатором» для рентгеновских астрономов на ближайшее десятилетие, поскольку выполнит обзор всего неба с рекордной чувствительностью и составит самую подробную карту Вселенной в рентгеновском диапазоне.
Подобные небесные карты делали и раньше, но они никогда не были настолько точными: «Спектр-РГ» в 30–40 раз чувствительнее предыдущего подобного аппарата ROSAT, работавшего в 90-х. Благодаря высокой чувствительности и широкому полю зрения «Спектр-РГ» выполняет задачи, которые не под силу рентгеновским обсерваториям других космических агентств — Chandra и XMM-Newton.
Схема расположения, устройство и цели аппарата «Спектр-РГ» Роскосмос
Российская обсерватория оснащена двумя рентгеновскими телескопами: немецким eROSITA и российским ART-XC имени М. Н. Павлинского. Они работают в разных рентгеновских диапазонах: увидеть окрестности чёрных дыр в видимом диапазоне часто мешает космическая пыль, которая поглощает менее энергичное излучение. Телескоп ART-XC им. М. Н. Павлинского может работать на энергиях до 30 килоэлектрон-вольт (кэВ), обсерватории Chandra и XMM-Newton — до 10 кэВ.
«Спектр-РГ» работает в точке Лагранжа L2 — месте, где гравитационные силы идеально сбалансированы, поэтому сохранять статичное положение аппарата можно минимальными усилиями. Точка Лагранжа L2 отстоит от Земли на 1,5 миллиона километров по линии «Земля — Солнце».
Аппарат вращается вокруг своей оси и получает изображение по частям — «полосками», которые потом совмещаются в общую карту. В июне 2021 года обсерватория приступила к четвёртому обзору неба из восьми запланированных. Полная научная программа рассчитана на 6,5 лет: первые четыре года займёт широкий обзор неба в пределах нашей Вселенной, 2,5 года — исследование выбранных объектов и участков на небе.
Один из самых волнующих вопросов — как проходила эволюция скоплений галактик и почему во многих из них находятся сверхмассивные чёрные дыры. Для этого учёные отдельно изучат около 100 тысяч скоплений галактик и примерно три миллиона сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.