‹ Назад

Сьогодні на вас чекає друга частина розповіді про надмасивні чорні діри. І сьогодні ми дізнаємося про найвеличніші об’єкти у Всесвіті, що відомі зараз. Дізнаємося, як робили першу фотографію чорної діри та ловили гравітаційні хвилі!

І знову телескопи…

Саме тоді, коли космічний телескоп Хаббл почав свою сенсаційну подорож, кілька нових обсерваторій було закладено на півночі в горах на Гаваях, та на півдні в Андах. Це були дві конкуруючі групи астрономів і кожна з них зосередилися на галактичному центрі, щоб побачити, що там відбувається.

Кожна з цих команд докладала багато зусиль протягом десятиліть, щоб відстежувати популяцію зір, які, здається, обертаються навколо зосередженого джерела енергетичних випромінювань, що називається зорею Стрільця. Нарешті навесні 2002 року зоря з позначкою s2 пролетіла дуже близько до центра мас, прискорившись при цьому до вражаючих 18 мільйонів кілометрів на годину. 

Науковці логічно передбачили, що якщо шлях S2

біля зорі Стрільця виявився б нестабільним, скакаючим, то астрономи знали б, що галактичний центр наповнений кількома масивними об’єктами... Натомість його шлях був гладким та спокійним, якщо це слово взагалі можна тут використовувати…  Вони дійшли висновку, що s2 та його компаньйони повинні обертатися навколо одного об’єкта, вага якого в кілька мільйонів разів перевищує масу нашого Сонця. Це була перша доведена надмасивна чорна діра.

Ці зусилля через два з половиною десятиліття після їх початку були визнані Нобелівською премією з фізики. Після цього відкриття астрофізики передали додаткові дані спостережень у свої суперкомп’ютери, щоб краще зрозуміти, як хмари газу протікають навколо монстра та стікають в нього, і як його величезна гравітація керує рухом зір у центрі нашої Чумацького Шляху…

Зоря s2 неминуче повернеться до чорної діри. Сила тяжіння призведе до того, що її орбіта стиснеться. Зоря буде рухатися все ближче і ближче… І нещодавно астрономи побачили, що тоді станеться...

Оглядовий телескоп в Андах зафіксував раптове підвищення яскравості галактики в далекому космосі. Астрономи з Європейської південної обсерваторії одразу ж повернули свої телескопи до джерела. Світло прийшло з галактики, що розташована на відстані 215 мільйонів світлових років від нас. Астрономи відслідковували подію аж до її остаточного зникнення через шість місяців. Вони дійшли висновку, що зоря підійшла надто близько до надмасивної чорної діри. 

І цей монстр почав її розривати, перетворюючи зорю на річку, в якій, замість води, тече гарячий газ. Ця космічна річка підживлює струмінь високої енергії, достатньо яскравий, щоб його можна було виявити із Землі. 

Як побачити те, що неможливо побачити

Астрономи давно плекали надію побачити чорну діру безпосередньо. Зрозуміти її властивості і вивчити як вона порушує простір навколо себе. В останні роки міжнародна група астрономів працювала саме над такою сміливою метою. Як і експедиція Еддінгтона за століття до того, ці вчені сподіваються перевірити теорії Айнштайна. Тільки цього разу в найекстремальнішій лабораторії Всесвіту. І з відповідями від самої чорної діри.

Ось така іронія долі: ти допомагаєш тому, хто відмовлявся вірити у саме твоє існування. Отже, ідея науковців полягала в адаптації методики, розробленої понад 60 років тому, під назвою інтерферометрія, до довгої базової лінії. Шляхом синхронізації радіотелескопів по всій планеті команда з 400 вчених та інженерів створила набагато більший віртуальний телескоп. Діаметр цього телескопа дорівнює діаметру самої Землі. Його роздільна здатність настільки величезна, що еквівалентна можливості читати газету в Нью-Йорку, сидячи в Києві.  Цей віртуальний телескоп отримав назву, яку ви скоріш за все чули - телескоп горизонту подій (або Event Horizon).  Мета науковців дуже проста за формулюванням — зробити перше в історії зображення чорної діри. Їх ціль — монстр у центрі М87.

Але простіше поставити завдання, ніж його виконати. Глибоко досліджуючи світлове ядро М87, астрономи знайшли тонкий баланс між фільтрацією міжзоряного пилу та пошуком контурів героя своєї фотографії. На довжині радіохвилі близько одного міліметра весь пил і газ, що закривали галактичного монстра, зникли, залишивши лише примарний силует. Це і була чорна діра - об'єкт, який за своєю природою неможливо побачити. Телескоп горизонту подій спирається на інструмент, який змінив саму суть досліджень Всесвіту. Щоб зрозуміти величезну кількість даних, отриманих багатьма приймачами, дослідники розробили серію комп’ютерних симуляцій, що візуалізують складність центру нашої рідної Галактики. 

Ось лише деякі з отриманих результатів. Темне ядро — це і є горизонт подій… тінь, що залишається, коли величезна гравітація об’єкта сповільнює все світло аж до повної його зупинки. Там знаходиться сама сингулярність, яку сама чорна діра ховає в цій тіні. Видиме кільце позначає акреційний диск, що обертається. Цей диск яскравіший з одного боку, тому що газ там обертається по спіралі у напрямку ДО телескопа і його фотони накопичуються. А ось світло від матеріалу, що віддаляється, стає тьмянішим, оскільки довжина його хвилі тягнеться у напрямку до червоної частини електромагнітного спектру. З трохи більш віддаленої перспективи можна побачити, як частина речовини, що падає в чорну діру, викидається вогняним пульсуючим струменем.

Скільки монстрів у Всесвіті

М87 — це чорна діра воістину галактичних розмірів. Вона формувалася протягом мільярдів років, перебуваючи на постійній дієті з планет і зір, газоподібного пилу. Але це не єдина чорна діра з такою великою сонячною масою. Вона далеко не найбільша. Скупчення Волосся Вероніки - це щільне угруповання галактик, що знаходиться на відстані 321 мільйона світлових років від Землі. Її центр займає колосальна еліптична галактика, зареєстрована як ngc 4889. У ній міститься чорна діра, маса якої, за останніми оцінками, у 21 мільярд разів перевищує масу Сонця.

J2157 ще більша! Її маса перевищує масу нашого рідного світила в 34 мільярди разів, тобто ця надмасивна чорна діра у 8000 разів більша за ту, що знаходиться в центрі нашого Чумацького Шляху.

Найбільша чорна діра, яку науковці вже знайшли, це ton 618 може важити стільки ж, скільки 66 мільярдів наших сонць. Вона керує квазаром, який випромінює у 140 трильйонів разів яскравіше, ніж наша зоря.

Теоретично немає обмежень щодо того, наскільки велика чорна діра може вирости. Все, що для цього потрібно, це час і відповідні обставини. 

Бум створення все більших дзеркал для телескопів дав астрономам абсолютно нову точку зору на життєвий цикл надмасивних чорних дір. У високих північних пустелях Чилі, вони прочісували ранній Всесвіт у пошуках тьмяних ознак появи чорних дір. У південному сузір’ї Лева вони помітили найвіддаленіший квазар, який з’явився лише через 770 мільйонів років після Великого вибуху.

Червона крапка, що ми бачимо - це світло, яке можна вважати залишками обіду чорної діри, маса якої в два мільярди разів перевищує масу Сонця. Як вона утворилася? І який вплив це матиме на її оточення? Щоб з’ясувати це, вчені розпочали велику міжнародну роботу з моделювання ранньої еволюції Всесвіту…

Дія починається через кілька мільйонів років після великого вибуху. Гравітація починає втягувати водень у великі відокремлені гало. А звідти в концентрації, достатньо щільні для утворення зір. Коли деякі зорі гинуть, вони породжують відносно невеликі чорні діри. Ці космічні монстри харчуються газом і стрімко зростають, розриваючи навколишнє середовище лютими вітрами та джетами. Випромінювання зміщується до діапазону видимого світла, коли Всесвіт досягає умовної середини свого розвитку.

Дві сусідні галактики починають формуватися, кожна з центральною областю, щільно заповненою зорями. Сила тяжіння починає їх підштовхувати до космічних обіймів. Чорні діри в їх центрах неминуче зустрічаються і зливаються. Кінцевий результат - галактика, схожа на нашу, з надмасивною чорною дірою, прихованою глибоко в її ядрі.

Тепер нам треба перейти до набагато більшого масштабу. Дія починається через 500 мільйонів років після великого вибуху.

Речовина об’єднується в павутину з ниток і щільних вузлів. Серед утворення незліченних зір розвивається декілька більших галактик. Вони поступово зливаються, як і чорні діри в їх ядрах.

На ще більшому масштабі відстежується вплив цих надмасивних чорних дір на навколишній Всесвіт. В цей період часу, ви можете побачити бульбашки, що швидко піднімаються з найбільших галактик. Це хвилі надгарячого газу, що виштовхуються вітром і джетами та живляться зростаючими чорними дірами.

Такі спалахи засівають Всесвіт елементами, породженими великими зорями та надновими. Елементи, які одного дня об’єднаються в нові зорі та планети, на кшталт нашої. 

Виштовхуючи назовні величезні об’єми газу, ці гарячі бульбашки сповільнюють зростання галактик-господарів, одночасно сприяючи утворенню менших галактик, таких як наш Чумацький шлях.

Аварія всесвітнього масштабу

Квазари та джети чорних дір, які їх живлять, є одними з найенергетичніших явищ із відомих на сьогодні. Квазар, помічений космічним телескопом Хаббла в ранньому Всесвіті, випромінює світло в 600 трильйонів разів яскравіше за наше Сонце. І все ж це навряд чи навіть це зможе описати ту силу, що вивільняється під час зіткнення двох надмасивних чорних дір. Щоб дізнатися, як це виглядатиме з Землі, науковці змоделювали момент перед злиттям двох надмасивних чорних дір.

Магнітні та гравітаційні сили нагрівають газ. Ця пара чорних дір, оповита ультрафіолетом, створює навколо себе надгарячу плазму, що тече навколо та занурюється в чорні діри. Вся ця матерія світиться рентгенівським світлом. 

Інтенсивна гравітація пари монстрів спотворює та згинає саму тканину простору-часу, створюючи лінзу. Альберт Айнштайн натякнув, що енергія такого зіткнення виходить далеко за межі випромінювання світла високої енергії. Його рівняння передбачили, що коли масивні тіла, такі як чорні діри, прискорюються або обертаються одне навколо одного, вони порушують зазвичай гладку тканину простору-часу. В результаті, серія потужних гравітаційних хвиль рухалася б назовні, як брижі на ставку.

До того часу, коли ці хвилі подолають всесвіт і досягли нас, їх енергія майже розсіюється. І все ж вчені вважають, що виявили їх у гравітаційно-хвильовій обсерваторії лазерної інтерферометрії, відомої як LIGO. 

Вони зібрали точні потужні лазери та одні з найдосконаліших великомасштабних вакуумних камер, які коли-небудь створювали. Ідея полягає в тому, що коли гравітаційна хвиля проходить через датчики обсерваторії, вона розтягнеться і, відповідно, стисне відстань між дзеркалами, розміщеними на кінцях чотирикілометрових труб. Це спотворення простору-часу, повинне бути виміряне лазерами. І воно буде неймовірно маленьким. В тисячу разів менше ядра атома. Це амбітне починання, яке розроблялося десятиліттями, нарешті принесло плоди в 2015 році. Інструменти на LIGO зафіксували сигнал, що відповідає злиттю двох чорних дір із двадцятьма дев’ятьмя і тридцятьма шістю сонячними масами.

Вчені підрахували, що зіткнення перетворило масу трьох сонць на чисту енергію у формі гравітаційних хвиль. Засновники LIGO за це відкриття отримали Нобелівську премію з фізики у 2017 році.

Ця симуляція показує схему гравітаційних хвиль, які пара випромінювала б у останні моменти злиття та одразу після. Коли об’єкти об’єднуються по спіралі, енергія, що переноситься кожною наступною хвилею, на короткий час зростає до ста мільярдів трильйонів потужностей нашого Сонця. 

Такі зіткнення надзвичайно рідкісні, але і Всесвіт дуже великий. Оскільки чутливість сучасних технологій швидко покращується, LIGO та подібні інструменти виявлятимуть все більше і більше таких реверберацій у просторі-часі… Але на диво, навіть це не дозволяє уявити силу, що міститься в чорній дірі… 

А тепер уявіть собі космічний корабель у далекому майбутньому на зустрічі з надмасивною чорною дірою. Через величезні розміри об'єкта сила розтягування відносно невелика, і це дозволяє кораблю вижити, коли він падає через горизонт подій. Але ненадовго... коли корабель обертається по спіралі, він натикається на стіну з енергії, яку науковці описують як внутрішній горизонт.

На горизонті подій чорної діри речовина розганяється до швидкості світла. Потім вона обертається так швидко, що частина матерії викидається назад і стикається з речовиною, що надходить ззовні. На внутрішньому горизонті енергія зростає настільки різко, що цілком може досягти природної межі, еквівалентної, можливо, самому Великому вибуху…

На щастя для нас гравітаційні стіни відгороджують такі екстремуми за горизонтом подій чорних дір. Як говорить теорія, нам потрібно чекати трильйони і трильйони років до моменту, коли вся матерія та енергія, ймовірно, впаде всередину чорних дір. Гравітація цілком може затягнути весь Всесвіт в одну єдину чорну діру…

Деякі теорії припускають, що саме в цей момент Всесвіт може спалахнути та породити шторм з матерії та антиматерії… 

І знову ми побачимо газ, який охолоджується і зливається в зорі...  

Ми знову побачимо вибухи, які породжують чорні діри… 

Ми знову побачимо галактики, які огортають і годують їх... 

Ми знову побачимо, як ці процеси народжують такі сонячні системи, як наша…

І тому ми сидимо на планеті, яка є нескінченно малим побічним продуктом життєдіяльності Всесвіту в цілому. 

Наші знання обмежені, але наша уява безмежна… І саме в цей момент ви сміливо можете почати читати знову першу частину цієї теми, адже є ймовірність, що все циклічно…