Черные дыры астрономии

В этом году, как и в прошлом, премию по физике Нобелевский комитет присудил за достижения в астрофизике, переживающей бурный расцвет. Половина приза досталась англичанину, профессору Оксфордского университета и прежде всего знаменитому математику, Роджеру Пенроузу за теоретическое открытие «того факта, что образование черных дыр оказывается строгим следствием общей теории относительности». Эта работа давняя, соответствующая статья вышла более полувека назад. Другая половина денежной награды ушла американке Андреа Гез и немцу Райнхарду Генцелю за «открытие супермассивного компактного объекта в центре Галактики».

Гез и Генцель возглавляют две из многих исследовательских групп, которые с конца XX века изучают центральную область Млечного Пути вблизи компактного источника радиоволн, названного Стрелец А*, поскольку астрономы видят его на небе в созвездии Стрельца. Несколько десятилетий две международные команды наблюдают за явлениями вокруг этого невидимого объекта, в том числе за движением звезд. Профессор Андреа Гез, четвертая за всю историю Нобелевской премии по физике женщина-лауреат, работает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Райнхард Генцель возглавляет немецкий Институт внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге под Мюнхеном. Он также профессор Калифорнийского университета в Беркли.

Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель, Андреа Гез Иллюстрация Петра Перевезенцева

Дыра в столетие

Искусственную натриевую звезду в направлении центра Млечного Пути зажег Европейский южный телескоп, один из четырех модулей, составляющих Очень большой телескоп Южной европейской обсерватории. А группа астрономов благодаря этому получила возможность уменьшить ошибку измерений: учесть искажения, создаваемые атмосферой Земли Изображение: ESO/Y.Beletsky

В конце XVIII века английский естествоиспытатель и священник Джон Мичелл, а вслед за ним известный французский ученый Пьер-Симон Лаплас предположили: возможно существование темных звезд, то есть с таким сильным притяжением, что у корпускулы света не хватает энергии оторваться от их поверхностей. Радиус такой звезды однозначно связан с плотностью ее вещества. Например, темная звезды плотности Солнца простирается на сотни его радиусов, но может быть маленькая и очень плотная звезда массой Земли, она будет с крупную фасолину — 1,9 см в диаметре. Такая темная звезда не должна быть видна. Однако, как писал Мичелл, можно было бы «с некоторой долей вероятности» ее зафиксировать по траектории движения нормальной компаньонки, если таковая у темной звезды имеется. Удивительно, как эти слова, сказанные более двух веков назад, предвосхитили методы определения массы центра Галактики.

В XIX столетии интерес к поиску гипотетических объектов сильно ослаб, поскольку двойных пар с темными звездами найдено не было. Кроме того, с рождением волновой теории света стало менее понятно, насколько были верны соображения Мичелла и Лапласа. Интерес возродился лишь в начале двадцатого века с появлением новой физики и общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В 1916 году, сразу после публикации ее уравнений, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел решения предложенных Эйнштейном полевых уравнений в виде суммы нескольких членов. Теоретики сразу обратили внимание: решение, описывающее искажение пространства-времени гравитирующей массой, имеет две особенности — при нулевом радиусе и радиусе дыры Мичелла решения уравнения фактически теряют физический смысл. Однако долгие годы было непонятно, как это интерпретировать.

В 1939 году будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер и его студент Хартланд Снайдер изучали гравитационный коллапс облака вещества; они строили теоретические модели эволюции огромных звезд, предполагая, что их форма идеально сферическая. В ходе этой работы впервые была дана корректная интерпретация радиуса Мичелла (размера, начиная с которого звезда данной плотности становится темной), и сегодня мы знаем, что он определяет границу горизонта событий. Все, что его пересекает, никак не может избежать дальнейшего падения к центру дыры: горизонт черной дыры можно пересечь только один раз и только в одном направлении, возврата нет. А за горизонтом событий лежит гравитационная сингулярность с совершенно удивительными свойствами.

Использование в этой теории предположения о сферичности звезд и полученные выводы вызвали жаркие споры среди коллег. Работа Эйнштейна того же года выражала сомнение в существовании горизонта событий. В 1963 году выдающиеся советские физики Е.М. Лифшиц и И.М. Халатников, вновь обратившись к расчетам Оппенгеймера в своей основательной статье, заявили, что его результаты не соответствуют физической реальности. Фактически они утверждали, что сингулярностям не место в реальной физической ситуации, описываемой теорией относительности. К середине прошлого века сформировалось общее мнение. Оно было таково. Если сингулярности и существуют, то только как результат коллапса неких массивных сферически симметричных объектов, а коллапс облака произвольной формы не приведет к сингулярности, к примеру, из-за квантово-механических эффектов, как предполагал известный американский астрофизик Джон Уиллер.

Игры математического разума

В начале второй половины XX века астрономы открыли ярчайшие компактные источники радиоизлучения — квазизвездные объекты, или квазары, обнаружение которых вскоре стало рутиной. Скрупулезные исследования позволили установить, что квазары излучают непериодические сигналы, изменяющиеся на масштабе времени в дни и даже часы, и располагаются в других галактиках. Наблюдаемая на Земле яркость свечения этих далеких объектов оказалась очень велика; чтобы ее наблюдать, поток энергии от одного квазара должен в тысячи раз превосходить поток, к примеру, от всего Млечного Пути. Вскоре появилась идея: найденные радиоисточники, скорее всего, представляют собой ядра галактик, звезды которых просто не видны на фоне их свечения.

Теоретики предположили, что для объяснения существования квазаров может подойти концепция огромных черных дыр: только аккрецирующее, то есть падающее на них, вещество могло дать столь интенсивное излучение, ведь, согласно их оценкам, выделение энергии при аккреции способно в разы превосходить ее выход от ядерных реакций. В принципе, квазарами могли быть сверхмассивные звезды, однако теория того времени, предполагавшая их сферическую симметрию, приводила к выводу, что они не могут быть стабильными: они должны попросту разлетаться на части.

В 1963 году задачу применения теории гравитационного коллапса для описания квазаров Джон Уиллер обсуждал с британским математиком Роджером Пенроузом. Она столь сильно заинтересовала последнего, что уже спустя два года он опубликовал теоретическую работу, ставшую впоследствии фундаментальной. В ней Пенроуз провел качественно новый анализ проблемы с помощью уравнений общей теории относительности для несферического облака любой формы. Для этого он обосновал новые математические понятия и использовал новые методы топологии.

Согласно его рассмотрению, коллапс, то есть необратимое падение вещества в дыру, начинается еще до того, как плотность будущей темной звезды станет большой. Пенроуз предложил свой аналог горизонта событий черных дыр. И доказал, что сингулярность под ним обязательно будет. Здесь, как эпатирует читателя краткий нобелевский пресс-релиз, «нарушаются законы физики». Расширенный пресс-релиз более точен в оценках, теоретики просто не знают, как трактовать возникающие в уравнениях бесконечные значения физических величин и прочие особенности. Впрочем, модельные приближения с такими странностями считаются вполне приемлемыми для современной математической физики.

Работа Пенроуза 1965 года стала первым крупным результатом в теории относительности после смерти Эйнштейна, покинувшего наш мир за десять лет до ее публикации. С нее начался новый этап в астрофизике, она дала старт теоретическим исследованиям черных дыр, проведенным Роджером Пенроузом совместно со Стивеном Хокингом, а также сериям работ других ученых. Ныне сэр Роджер знаменит своими исследованиями в разных областях науки, от создания апериодических мозаик Пенроуза, позволивших объяснить строение квазикристаллов, до спорных идей о механизме работы человеческого мозга. Он также широко известен публике многими научно-популярными книгами. Хотя знаменитый математик отмечен за работу более чем пятидесятилетней давности, создается впечатление, что Нобелевский комитет присудил ему премию по совокупности научных достижений.

В центре Млечного Пути (на фото изображение в инфракрасном свете) расположены звезды разного возраста, маленькие черные дыры и облака пыли. А все это вращается вокруг компактного и сверхтяжелого объекта, массой в миллионы солнц, который назвали «Стрелец А*». Название расшифровывают так: объект наблюдают в созвездии Стрельца, он входит в составной источник радиоволн под названием «Стрелец А», звездочка же стоит потому, что в физике принято ею обозначать возбужденные состояния, а изучение этого объекта действует возбуждающе на всех астрофизиков Изображение: ESO

Черная масса центра Галактики

Вокруг центра Галактики обращается много звезд, но лишь несколько удобны для наблюдения и изучения их параметров. Из них лучше всего исследована звезда S2: минимальное расстояние от нее до гипотетической черной дыры (его, по аналогии с перигеем или перийовием надо бы назвать «перинигрий» от латинского niger, то есть «черный», но астрономы сейчас предпочитают нейтральное «перицентр») не превышает расстояния от Солнца до Нептуна Изображение: ESO

Первые кандидаты на роль сверхмассивных черных дыр были найдены в других галактиках. А что же у нас, в Млечном Пути? Квазара в его центре явно нет, но мощный источник радиоволн там имеется. Его назвали Стрелец А. Он состоит из трех частей: Стрелец А Восток — это остаток сверхновой, взорвавшейся 100—35 тысяч лет тому назад, Стрелец А Запад — это спиральное облако газа, а посередине этого облака как раз и лежит яркий компактный источник Стрелец А*. Все это окружено кластером из звезд разных классов и горячих газов размером в несколько световых лет. В месте расположения объекта Стрелец А* помимо радиоизлучения наблюдают вспышки рентгеновского и ближнего инфракрасного излучения, которые принято считать результатом аккреции вещества на сверхмассивный объект, то есть, предположительно, на огромную черную дыру. Однако доказать это нелегко, поскольку трудно наблюдать центр Галактики с Земли.

Примерно полмиллиона лет назад Солнечная система пересекла галактический экватор и сейчас только-только выходит из плоскости диска Млечного Пути. В сущности, мы видим этот диск с торца. Потому он и предстает перед нашими глазами как звездная дорожка, пересекающая ночное небо. В плоскости диска находится много межзвездной пыли, которая закрывает от нас центр Галактики. Радио-, рентгеновское и инфракрасное излучения сквозь пыль проходят, а видимый свет — 
нет. Кроме того, Земля расположена на периферии Галактики, на удалении в двадцать пять тысяч световых лет от ее центра. Поэтому создателям современной теории Стрельца А* приходится рассуждать о далеком объекте, который трудно пощупать приборами и нельзя увидеть глазами.

В результате даже догадываться о его существовании наблюдателям приходится по косвенным признакам. А их задача, во-первых, выяснить, правда ли, что наблюдаемый объект компактен, то есть его огромная масса занимает небольшой объем, а во-вторых, что он проявляет свойства черной дыры. Подход, позволяющий ответить на первый вопрос, понятен: если темный объект с радиоисточником компактен, то, согласно Кеплеру, орбитальные скорости звезд вокруг него должны убывать обратно пропорционально корню из размеров своих орбит. Если центр рассеян, этот закон будет нарушен. 
Самыми плотными, но не сплошными объектами космоса всегда считались шаровые скопления звезд. Поэтому первый этап исследований состоял в том, чтобы доказать наличие в центрах галактик более плотных, чем шаровые скопления, объектов, вокруг которых и обращаются местные звезды. После своего запуска орбитальный телескоп «Хаббл» начал массово выявлять активные ядра галактик с квазарами. Вскоре вокруг них было зафиксировано движение облаков водяного пара, генерирующих характерное излучение. Малый размер их орбит привел к ограничениям сверху на размеры, а значит, и на плотности центральных темных тел; плотность превосходила таковую для шаровых скоплений. Это был прорыв: гипотеза о том, что квазары представляют собой огромные тяжелые и компактные объекты, возможно, черные дыры, засасывающие вещество, получила солидное подтверждение.

А вот центр Млечного Пути современные орбитальные телескопы, к сожалению, не видят: они не работают в инфракрасном диапазоне. Здесь нужны совсем другие приборы инфракрасного и радиодиапазонов, другая оптика и техника. Разгадать загадку Стрельца А* пытались и пытаются многие группы астрономов-наблюдателей. Двоим из них, возглавляемым нынешними лауреатами, пришлось пройти путь длиной в несколько десятилетий, чтобы получить однозначные результаты. Обе команды использовали инфракрасное излучение длиной волны чуть больше двух микрон. По-видимому, не в последнюю очередь их успех обязан здоровой взаимной конкуренции.

В начале исследований группа Райнхарда Генцеля использовала телескоп Европейской южной обсерватории на горе Ла-Силья в Чили. Затем она перешла на Очень большой телескоп — счетверенную систему гигантских приборов с монолитными зеркалами восьмиметровых диаметров, расположенную на чилийской горе Параналь. Группа Андреа Гез вела наблюдения в обсерватории Кека на горе Мауна-Кеа на Гавайях. Здесь установлен телескоп с десятиметровым зеркалом, состоящим из 36 шестигранных ячеек с управляемой кривизной.

Разрешения телескопов для прецизионного построения орбит центральных звезд сначала сильно не хватало, но затем его удалось повысить благодаря революционным техническим решениям обеих научных команд. Так, в конце прошлого века для уменьшения влияния земной атмосферы они применяли технику спеклов (англ. «пятнышко», «крапинка»). При этом очень чувствительными датчиками снимают серии изображений с короткой экспозицией, десятые доли секунды, а затем усредняют их. В результате отношение полезный сигнал—шум возрастает пропорционально квадратному корню из числа изображений. Так удается поднять разрешение телескопа к его дифракционному пределу.

Благодаря этой технике в 1998 году группа Гез смогла наблюдать центр Галактики с пространственным разрешением 6,5·10¹⁰ км, или два с половиной световых дня. Таким образом, наблюдения обеих групп позволили набрать статистику скоростей движения десятка наиболее ярких звезд. Оказалось, она удовлетворяет законам кеплеровских орбит, то есть предполагает наличие массивного и компактного источника притяжения внутри их орбит. Однако информация о движении звезд была неполной, ведь астрономы видят лишь проекцию их орбит на плоскость наблюдения, а сами орбиты в точности не знают.

Адаптивная эра

С началом двадцать первого века астрономия вступила в эру адаптивной оптики. Дело в том, что стокилометровый столб атмосферы над нашими головами содержит области флуктуаций температуры. Для света они работают как линзы, которые заставляют звезды на небе мерцать и портят астрономам точную картинку. С этими искажениями борются. Если вне атмосферы есть источник, оптические свойства которого мы знаем, например известная звезда, то искажения изображений близких к ней небесных объектов можно устранить, зная, каким должно быть изображение этого референтного источника. Для этого в телескоп ставят дополнительное зеркало и постоянно автоматически меняют его форму через систему обратной связи. Референтная звезда может быть и искусственной; ее зажигают в верхних слоях атмосферы, возбудив там лазерным лучом оптические линии натрия.

Адаптивная революция позволила обеим командам с помощью спектрографов по эффекту Доплера, то есть зная зависимость смещения спектральных линий от скорости объекта, измерить скорости центральных звезд вдоль луча зрения. А наблюдаемые телескопом смещения  в перпендикулярной к нему картинной плоскости позволяют определять проекцию орбиты. Сочетание этих данных помогло полностью восстановить пространственное расположение орбит звезд и определить все орбитальные характеристики каждой звезды. Данные для проверки кеплеровского закона обратных корней перестали быть статистическими, как это было ранее из-за необходимости усреднять проекции орбит на картинную плоскость.

Изучая звезды вокруг Стрельца А*, обе группы нашли очень важную звезду S2. Она обращается по сильно вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,88, совершая оборот за 16 лет. Ее минимальное расстояние до Стрельца А*, перицентр, составило 125 астрономических единиц; это в полтора раза больше, чем расстояние до Солнца от Плутона, при этом звезда движется в 15 раз быстрее этой карликовой планеты. Данные двух команд совпали с высокой точностью, что позволило оценить массу компактного сверхмассивного объекта. Она оказалась равной четырем миллионам масс Солнца.

За три десятилетия исследований пространственное разрешение изображений центра Галактики увеличилось в тысячу раз. Сегодня, к примеру, телескопы Европейской южной обсерватории позволяют замечать даже суточные перемещения звезды S2. Наблюдатели выявили столь тонкий эффект, как релятивистская прецессия орбиты; его делают заметным гигантская гравитация Стрельца А* и сдвиг частоты излучения звезды при максимальным сближении. Это значительные достижения с точки зрения фундаментальной физики. Совсем неожиданно внутри орбиты звезды астрофизики зафиксировали короткие инфракрасные вспышки длительностью около часа. Оказалось, источник вспышек движется вокруг Стрельца А* чрезвычайно быстро, на скорости в тридцать процентов от скорости света, то есть треть миллиарда километров в час. Недавно у сверхмассивного центра Млечного Пути астрономы обнаружили звезду S62 на еще более близкой к нему десятилетней орбите.

В 2009 году черные дыры начала изучать коллаборация Телескопа горизонта событий (как видно из названия, цель этого телескопа — увидеть горизонт событий черной дыры, то есть поверхность, которую можно считать ее границей, где происходит разрыв связи времен). Прибор включает в себя массив из восьми радиотелескопов по всей планете и использует методы интерферометрии со сверхдлинной базовой линией: в идеале она оказывается равна диаметру Земли, максимум для планетарной астрономии. Полтора года назад было опубликовано прямое изображение черной дыры в сверхгигантской эллиптической галактике М87, находящейся в пятидесяти пяти миллионах световых лет от нас, полученное по определенному алгоритму визуализации. Эта черная дыра в тысячу раз массивнее темного объекта в центре Млечного Пути, который станет одной из основных будущих целей этого телескопа.

Огромная масса, сосредоточенная в центре Галактики, вызывает релятивистские эффекты. Один из них — прецессия орбиты; звезда S2 обращается не по эллипсу, как предписывает механика Ньютона, а по скрученной в розетку спирали. Это явление называют Шварцшильдовской прецессией, поскольку Карл Шварцшильд первым рассчитал смещение перигелия Меркурия под действием гравитации Солнца. Художник, правда, для удобства разглядывания, изобразил расстояния между витками спирали гораздо большими, чем они есть на самом деле Изображение: ESO/L.Calçada

Белые пятна у черной дыры

Газеты и Интернет сообщают, что Нобелевскую премию 2020 года дали за открытие черной дыры в центре Галактики. Однако во всех своих формулировках Нобелевский комитет избегает прямого утверждения о том, что в центре Млечного Пути обнаружена сверхмассивная черная дыра. Пресс-релизы комитета говорят лишь о соответствии, совпадении характеристик невидимого объекта с моделями черных дыр.

Это не случайно. Во-первых, потому, что премию по физике присваивают за прорывные достижения, полностью подтвержденные практически. Злые языки, например, в свое время утверждали: именно из-за отсутствия прямых доказательств его умозаключений премию так и не присудили известному адепту черных дыр Стивену Хокингу, постоянному соавтору Роджера Пенроуза.

Во-вторых, на черном поле не все так светло, как может показаться со стороны. Ведь для получения ясности нужно ответить на вопрос: какие характеристики с какими представлениями должны совпадать? А проблема в том, что представления ведущих теоретиков о черной дыре иногда диаметрально противоположны. Более того, при наблюдении за окрестностями Стрельца А* постоянно появляются факты, не соответствующие предсказаниям теорий черных дыр. Один из ярких примеров связан с поведением газового облака массой в три массы Земли, которое восемнадцать лет назад обнаружили у центра Галактики. Расчет давал, что спустя десять лет оно должно было оказаться в перицентре своей орбиты у предполагаемой черной дыры. Теоретических предсказаний дальнейшей судьбы облака было много, в том числе от выдающихся мировых групп астрофизиков. Это и полное разрушение с фейерверком в рентгеновской и других областях спектра. Это и многочисленные столкновения с местной популяцией нейтронных звезд и более мелкими черными дырами, которые наблюдают в окрестности центральной. С десяток земных телескопов приготовились к наблюдениям катастрофических эффектов.

Результат оказался оглушительным: ничего. Интенсивность аккреции облака оказалась необъяснимо мала для сверхмассивного центра Галактики. Облако прошло перицентр и двинулось дальше без заметных изменений, что полностью опровергло все расчеты. Позже на близкой траектории было найдено другое облако; оно повело себя так же, как и первое. Возникли предположения, что облака — это часть большого и невидимого потока газа. Андреа Гез выдвинула идею, что за облако астрономы приняли вещество, выброшенное в результате слияния двойных звезд, которое движется по эллиптической орбите вокруг центра Галактики. Все эти предположения показывают, насколько неопределенны сегодня даже простейшие интерпретации мелкомасштабных явлений, происходящих у центра Галактики.

Однако основной результат ни у кого не вызывает сомнений. Можно считать, что Нобелевская премия нынешнего года обозначила завершение лишь первого этапа работ, который не только открыл новую область, но и поставил новые проблемы центра Млечного Пути. Неудивительно, что последний раздел релиза нобелевского комитета назван «Что мы не знаем». Он заканчивается словами: «У Вселенной в запасе еще много сюрпризов и секретов, которые предстоит разгадать человечеству».

Другой релятивистский эффект: удлинение волны излучаемого света при прохождении сквозь поле гравитации, деформирующее пространство—время. Сверхмассивный объект в центре Галактики создает столь сильную деформацию, что звезда S2, пролетая рядом с ним на фантастической скорости в десятки миллионов километров в час, заметно краснеет, а слегка удалившись — снова синеет Изображение: ESO/M.Kornmesser

Судьба неосторожной звезды

Изображение: ESO/M.Kornmesser

Если звезда, зачарованная гравитационным полем, подойдет слишком близко к сверхмассивной черной дыре, та мгновенно высосет ее вещество; этому процессу придумали название «спагеттификация», поскольку вещество звезды вытягивается в длинные макаронины. Астрономам редко выпадает счастье проследить за таким процессом, но вот в сентябре 2019 года счастье пришло (Европейская южная обсерватория, 12 октября 2020 года).

Изучая одну из галактик в созвездии Эридана на расстоянии 215 миллионов световых лет от Земли, астрономы заметили характерную вспышку и сразу же направили на объект множество телескопов и других приборов из разных обсерваторий. В результате они поняли, что при поглощении вещества звезды (дыра мгновенно высосала из нее половину массы) значительная его часть рассеивается в окружающем пространстве. Получается мощное облако пыли, которое закрывает место действия от наблюдателя. Неудивительно, что такие события редко удается заметить.

Если такое событие случится у центра Млечного Пути, астрономы получат шанс рассмотреть мельчайшие детали превращения звезды в «спагетти», а это позволит лучше понять и природу сверхмассивного объекта, лежащего там. Пока что нам приходится довольствоваться фантазиями художников, изображающих подобные страшные события.