Чи вчені справді знайшли чорні діри?

ЦЕ СХОЖЕ на фантастику: чорні діри колись були яскравими зорями, а потім стали невидимими, і, зруйновані власною гравітацією, вони не випускають назовні нічого, навіть світла. Багато астрономів вважають, що такі чорні діри є звичайним явищем у Всесвіті. Чи ви хотіли б знати більше про них? Усе почалось із прекрасного північного сузір’я Лебедя.

Лебідь X-1 — чорна діра?

З 1960-х років астрономи зацікавлено спостерігають за певною областю в сузір’ї Лебедя. За допомогою обсерваторій, які обертаються по орбіті поза земною атмосферою, вчені виявили в цьому сузір’ї потужне джерело рентгенівських променів і назвали його Лебідь X-1.

Ученим давно відомо, що чим гарячішим є об’єкт, тим більше енергії він випромінює на коротших, більш енергомістких електромагнітних хвилях. Якщо ви нагріватимете залізний предмет у дуже гарячій грубі, він спочатку стане червоним, потім жовтим, а коли залізо нагріється ще більше,— білим. Те ж саме відбувається і з зорями. Порівняно холодні зорі, температура яких становить приблизно 3000 кельвінів, червонуваті, а температура поверхні жовтих зір, таких, як Сонце, наближається до 6000 кельвінівa. Однак щоб почалось рентгенівське випромінювання, джерелом якого є Лебідь X-1, зоряний газ мав би нагрітися до мільйонів кельвінів. Цього показника не сягає температура жодної зорі.

У місці розташування Лебедя X-1 астрономи помітили зорю, температура поверхні якої становить, за оцінками, 30 000 кельвінів. Звичайно, вона дуже гаряча, але не настільки, щоб це пояснило рентгенівське випромінювання. Ця зоря, зареєстрована як HDE 226 868, вважається масивнішою за Сонце приблизно в 30 разів і розташовується на відстані 6000 світлових років від Землі. Цей надгігант має супутника, з яким вони кружляють один навколо одного в орбітальному вальсі кожні 5,6 доби. Учені підрахували, що супутник віддалений від HDE 226 868 лише на кілька мільйонів кілометрів. Згідно з деякими джерелами, маса супутника приблизно в десять разів більша за сонячну. Але цей супутник дещо незвичайний: він невидимий. Кожна нормальна зоря таких розмірів і на такій відстані повинна бути видимою з Землі. На думку вчених, цілком імовірно, що такий масивний об’єкт, джерело рентгенівського випромінювання, яке, однак, не світить видимим світлом, є чорною дірою.

Подорож до чорної діри

Уявіть: ви можете полетіти до Лебедя X-1. Коли припустити, що це дійсно чорна діра, то ви побачите щось схоже на зображення на сторінці 17. Велика зоря — це HDE 226 868. Її діаметр становить мільйони кілометрів, а діаметр чорної діри приблизно 60 кілометрів. Маленька чорна точка в центрі виру світного газу є горизонтом подій, або поверхнею, чорної діри. Проте це не суцільна поверхня, а скоріше тінь. Це межа простору, де тяжіння навколо чорної діри настільки сильне, що навіть світло не може вирватись назовні. Багато вчених вважають, що під горизонтом подій, у центрі чорної діри, є точка з нульовим об’ємом та нескінченною густиною, тобто має місце явище, відоме як сингулярність. Воно є причиною зникнення всієї матерії, котра потрапляє в чорну діру.

Чорна діра вбирає в себе зовнішній шар зоряного газу супутньої зорі. Рухаючись швидше й швидше, газ закручується по спіралі та нагрівається тертям навколо чорної діри, набуває форми диску і світиться. Сильне тяжіння прискорює рух газу до надзвичайних швидкостей, і диск надгарячого газу висвічується рентгенівськими променями просто над чорною дірою. Звичайно, коли газ потрапляє в чорну діру, рентгенівські промені, як і будь-що інше, вже не можуть вирватись назовні.

Лебідь X-1 — ефектне видовище, але не наближайтесь до нього впритул! Небезпеку становить не тільки рентгенівське випромінювання, але й тяжіння. Коли ви стоїте на Землі, сила, з якою притягується голова, і сила, з якою притягуються ноги, різняться несильно. Різниця між цими силами спричиняє слабке натягування, яке не відчувається. На Лебеді X-1 ця маленька різниця збільшується у 150 мільярдів разів і утворює силу, котра ніби невидимими руками розтягнула б тіло: ноги — в один бік, а голову — в інший!

Чи Лебідь А — надмасивна чорна діра?

У сузір’ї Лебедя є ще одна таємнича ділянка. На вигляд це лише тьмяна пляма у далекій галактиці, але вона випромінює в простір найпотужніші радіохвилі. Її назва — Лебідь А. Уже 50 років минуло з часу її відкриття, а вчені все ще намагаються розв’язати її загадку.

Масивність Лебедя А приголомшує. Лебідь X-1 розташовується в нашій Галактиці на відстані кількох тисяч світлових років, а Лебідь А, як вважають, віддалений на сотні мільйонів світлових років. Хоча між об’єктом Лебідь X-1 та його невидимим супутником лише одна світлова хвилина, шлейфи, утворені двома струменями радіохвиль у Лебеді А, розділені сотнями тисяч світлових роківb. Протягом сотень тисяч, а, може, навіть мільйонів років щось в центрі Лебедя А, ніби якась космічна променева гармата, стріляє цими потужними струменями енергії в різні боки. Докладні радіокарти центру Лебедя А показують, що, порівняно зі струменями радіохвиль, променева гармата дуже маленька, менша за світловий місяць. Якщо б вона коливалась, промені були б кривими. Але таємничі струмені цілком прямі, ніби гармату, що стріляє ними, стабілізовано величезним гіроскопом.

Як це пояснити? Професор Кіп С. Торн написав: «До початку 1980-х для пояснення центральної рушійної сили було висунуто десятки теорій, і тільки одна припускала існування гігантського довговічного гіроскопа, який має розміри менші за світловий місяць і спроможність виробляти потужні струмені. Це унікальна ідея велетенської чорної діри, що швидко обертається».

Інші кандидати у чорні діри

Тисяча дев’ятсот дев’яносто четвертого року за допомогою наново відремонтованого космічного телескопа «Хаббл» одержали детальне зображення «близької» галактики М87, яка, за оцінками, розташована на відстані 50 мільйонів світлових років. Через оснащений найновішою оптикою «Хаббл» у центрі М87 вчені виявили газовий вир, що кружляв навколо декількох об’єктів з вражаючою швидкістю — 2 мільйони кілометрів за годину. Чому газ рухається з такою швидкістю? Розрахунки свідчать про те, що маса об’єкта всередині виру повинна дорівнювати принаймні двом мільярдам мас Сонця. А цей об’єкт стиснуто до «мініатюрних» розмірів нашої Сонячної системи. На думку вчених, ці дані можна пояснити лише існуванням надмасивної чорної діри.

Кандидатів у чорні діри знайшли і в центрі деяких прилеглих до нашої галактик, серед яких наш найближчий сусід галактика Андромеди, що віддалена від нас лише на приблизно два мільйони світлових років. Проте гігантська чорна діра може бути ближче до Землі, ніж навіть Андромеда! Недавні спостереження вказують на те, що, можливо, величезна чорна діра розташована в центрі нашої Галактики. Зірки недалеко від центру нашої Галактики змушені надзвичайно швидко обертатись навколо маленького невідомого об’єкта, маса котрого дорівнює 2,4 мільйона мас Сонця. Фізик Торн зазначив: «Дані, поступово накопичені протягом 1980-х років, вказують на те, що такі діри є не тільки в центрах більшості квазарів та радіогалактик, але й в ядрах більшості звичайних галактик (не радіогалактик), таких, як наша Галактика та Андромеда».

Чи справді вчені виявили чорні діри? Можливо. Принаймні вони відкрили деякі дуже дивні об’єкти в сузір’ї Лебедя та в інших місцях, які сьогодні найлегше пояснити властивостями чорних дір. А втім, нові дані можуть і заперечити загальноприйняті теорії.

Понад 3500 років тому Бог запитав Йова: «Чи ти знаєш устави небес?» (Йова 38:33). Попри дивовижний науковий прогрес це питання доречне й сьогодні. Як тільки людина починає думати, що вона розуміє Всесвіт, нові несподівані результати спостережень руйнують старанно створені теорії. Але тим часом ніщо не заважає роздивлятись сузір’я і насолоджуватись їхньою красою!

[Примітки]

[Рамка на сторінках 16, 17]

Як виникають чорні діри?

СУЧАСНА наука вважає, що зорі світять завдяки безперервній протидії сили тяжіння і ядерних взаємодій. Якщо б тяжіння не стискувало газ глибоко всередині зорі, то не відбувалося б ядерного синтезу. З іншого боку, коли ядерний синтез не протидіє силі тяжіння, з зорями відбувається дещо незвичайне.

Вчені вважають, що коли зорі розміром з наше Сонце витрачають своє ядерне пальне, яке складається з водню і гелію, сила тяжіння стискує їх і перетворює на гарячі вуглинки розмірами приблизно з Землю. Такі зорі називають білими карликами. Маса білого карлика може дорівнювати сонячній, але він стиснутий настільки, що його розміри у мільйони разів менші за розміри Сонця.

За поширеним уявленням, звичайна матерія — це переважно порожній простір, де майже вся маса кожного атома зосереджується в крихітних ядрах, оточених набагато більшою електронною хмарою. Але всередині білого карлика гравітація стискує електронну хмару у маленьку частину попереднього об’єму, а це призводить до зменшення зорі до розмірів планети. Для зір, розміри яких приблизно такі, як в нашого Сонця, це є станом рівноваги між гравітацією і силами електронів. Ця рівновага запобігає подальшому стисканню.

Що відбувається із зорями, котрі важчі за Сонце, в яких гравітація більша? У зорях, маса яких більша за сонячну в 1,4 разу, сила гравітації настільки велика, що електронна хмара зникає під її дією. Протони і електрони об’єднуються у нейтрони. Нейтрони не піддаються подальшому стисканню, якщо гравітація не надто сильна. В результаті білий карлик розмірами з планету перетворюється на нейтронну зорю розмірами з маленький астероїд. Нейтронні зорі складаються з найщільнішої речовини, відомої у Всесвіті.

Що буде, коли гравітація все-таки збільшуватиметься? Вчені вважають, що у зорях, маса яких більша за сонячну в три рази, нейтрони не можуть протистояти гравітації. У цьому випадку жодна відома фізикам матерія не може опиратись сукупній силі гравітації. Вважається, що нейтронні кулі розміром з астероїд, стискатимуться не просто у меншу кулю, а в ніщо, в точку, стан якої називають сингулярністю, або у ще не описану теоретичну субстанцію. Зоря зникне, залишаючи на своєму місці тільки свою гравітацію та чорну діру. Чорна діра утворить гравітаційну тінь на місці колишньої зорі. Це ділянка, де гравітація настільки сильна, що ніщо, навіть світло, не вирветься з неї назовні.

[Ілюстрації на сторінці 16]

У сузір’ї Лебедя серед усього іншого є туманність «Північна Америка» (1) та волокниста туманність «Петля» (2). Лебідь X-1 (3) розташований трохи нижче на шиї Лебедя.

Сузір’я Лебедя.

[Відомості про джерело]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Ілюстрації на сторінці 17]

Модель об’єкта Лебідь X-1

Чорні діри виявляють за їхнім впливом на інші тіла. Тут показано, як зоряні гази втягуються у чорну діру.

Так художник уявляє чорну діру (червоний прямокутник). Унизу — її збільшене зображення.

[Відомості про ілюстрацію, сторінка 14]

Ейнштейн: U.S. National Archives photo