Чёрные дыры

За каждым явлением прошлой главы стоит одна и та же по сути машина — сверхмассивная чёрная дыра. Но чёрные дыры не ограничиваются центрами галактик.

У любого тела есть скорость убегания — минимальная скорость, необходимая, чтобы навсегда покинуть его притяжение. Сожмите то же самое тело до меньшего радиуса, не убавив массы, — и скорость убегания с поверхности вырастет. Чёрная дыра — это просто такая степень сжатия, при которой скорость убегания на некотором радиусе превышает скорость света; этот радиус называют радиусом Шварцшильда. Для Солнца он составляет около трёх километров, для Земли — меньше сантиметра. Границу этого радиуса — за которой ничто, включая свет, обратно не выходит, — называют горизонтом событий.

Ядро, которому уже некуда остановиться

В прошлой главе о сверхновых схлопывающееся ядро массивной звезды останавливало давление вырожденного нейтронного газа, образуя нейтронную звезду. Но у этого давления есть свой предел — по разным оценкам, около двух-трёх масс Солнца, точное значение зависит от плохо известного поведения вещества при ядерной плотности. Если масса коллапсирующего ядра превышает и этот предел, остановить сжатие уже нечему.

Один из первых убедительных кандидатов такого рода — источник Лебедь X-1, найденный ракетным рентгеновским детектором в 1964 году. К началу 1970-х годов по орбитальному движению его звезды-компаньона удалось получить нижнюю границу массы невидимого спутника — больше трёх солнечных, слишком много для нейтронной звезды. В 1974 году Стивен Хокинг и Кип Торн заключили шуточное пари о том, является ли Лебедь X-1 чёрной дырой; Хокинг признал проигрыш в 1990 году. Современные измерения по параллаксу дают массу этой чёрной дыры около 21 солнечной.

Массу можно взвесить по орбитам, ничего не увидев

Ещё до того, как чёрную дыру в центре Млечного Пути сфотографировали, её массу знали с хорошей точностью — по орбитам ближайших звёзд. С начала 1990-х годов две независимые группы, одну из которых возглавляла Андреа Гез, а другую — Райнхард Генцель, годами отслеживали движение нескольких звёзд возле центра Галактики, особенно одной из них — S2. Её орбита оказалась замкнутым эллипсом вокруг невидимой точки с периодом около шестнадцати лет, что позволило вычислить массу этой точки: около 4,3 миллиона масс Солнца, сосредоточенных в объёме, который не превышает Солнечную систему. За это открытие Гез и Генцель получили Нобелевскую премию по физике 2020 года.

Столкновение, которое почувствовало пространство, а не свет

В 2015 году детекторы LIGO зарегистрировали нечто, чего свет никогда не касался напрямую: рябь самого пространства-времени от слияния двух чёрных дыр массой около 36 и 29 масс Солнца, случившегося больше миллиарда лет назад. Около трёх солнечных масс превратились в энергию гравитационных волн за доли секунды — в этот миг мощность излучения превышала совокупный свет всех звёзд наблюдаемой Вселенной. Само событие не было ни увидено, ни услышано в привычном смысле: детекторы измерили исчезающе малое растяжение и сжатие пространства, донёсшего этот сигнал через миллиард с лишним световых лет. Это был первый в истории способ узнать о чёрных дырах без единого фотона.

Сфотографировать не саму дыру, а её тень

В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое в истории изображение чёрной дыры — точнее, её тени: в центре галактики M87, чья масса оказалась около 6,5 миллиарда солнечных. Ни один телескоп не может сфотографировать сам горизонт событий: свет из-за него не выходит. Тёмный круг на этом изображении — это область, откуда свет не приходит, обрамлённая ярким кольцом раскалённой плазмы, чей путь искривлён гравитацией так сильно, что даже свет с обратной стороны диска огибает чёрную дыру и попадает в объектив.

Два метода сошлись на одном числе

В 2022 году та же коллаборация показала тень чёрной дыры в центре собственного Млечного Пути — Sgr A*. Полученная по изображению масса, около 4,3 миллиона солнечных, практически идеально совпала с той, что задолго до этого дали орбиты звёзд вроде S2 из начала этой главы. Два совершенно разных метода — многолетнее слежение за движением звёзд и синтез изображения радиотелескопами по всей Земле — сошлись на одном и том же числе.

Промежуточная масса остаётся самой неуловимой

Между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик должны существовать промежуточные — от сотен до сотен тысяч масс Солнца, — но именно эта категория подтверждена хуже всего. В 2020 году LIGO и Virgo зафиксировали слияние, породившее чёрную дыру около 142 солнечных масс — в диапазоне, который обычный коллапс одиночной звезды, по расчётам, производить не должен. В 2024 году движение нескольких быстрых звёзд возле ядра шарового скопления Омега Центавра из главы о звёздных скоплениях указало на возможную чёрную дыру массой не меньше восьми тысяч солнечных.