‹ Назад

Чи замислювались ви над тим, що дослідження так званої екстремальної фізики... принесло нам бомбу... Воно завело нас усередину результату насильницької смерті зорі... І тепер це дослідження вивело нас віч-на-віч з найбільш руйнівною силою в природі — надмасивною чорною дірою. Наскільки великими можуть бути ці монстри? Наскільки потужними? І що вони можуть розказати нам про екстремуми часу та простору?

Трохи історії

Це був 1990 рік. Надія на нову епоху наукових відкриттів піднялася на орбіту разом з космічним телескопом Хаббл. Після запуску одразу був виявлений технічний недолік його оптики, через який астронавти повинні були підлетіти до нього, щоб відремонтувати. Це затримало, але не зупинило цю нову епоху.

Отже, у 1994 році астрономи спрямували щойно відремонтований Хаббл на одну з його найважливіших цілей — гігантську еліптичну галактику М87, розташовану за 50 мільйонів світлових років від Землі. Проникаючи глибоко в ядро М87, вони побачили потужний струмінь надгарячого газу, що простягався в космос на 5000 світлових років. З дивовижною роздільною здатністю Хаббла астрономи виміряли швидкість газу, що мчить навколо центру. Вони прийшли до висновку, що джерелом гравітації, що спричиняє ці рухи, є чорна діра, вага якої в 6,6 мільярдів разів перевищує масу нашого Сонця. Але це було не все, адже безумовно величні новини про m87 приєдналися до цілого потоку відкриттів, що дозволили дослідити прилади Хаббла.

Публіку захопили дивні та величні форми космосу. Вони були захоплені з таємничих сфер далеко за межами землі. Для вчених Хаббл був частиною швидко зростаючого арсеналу інструментів для спостереження. Зростаючий парк космічних обсерваторій сканував світло віддалених об'єктів у всьому електромагнітному спектрі

На Землі нове покоління гігантських телескопів із точними дзеркалами та динамічною оптикою дозволило спостерігачам зазирнути вглиб Всесвіту. Астрономи, які звикли до довгих ночей кропіткої експозиції камери, тепер були просто завалені потоком даних, що надходять із віддалених куточків космосу. З’явилось нове бачення Всесвіту, визначене величезними викидами енергії… титанічними зіткненнями… таємничими новими силами... і найдивнішими явищами природи - чорними дірами...

Чорні діри, які колись вважалися простими гіпотетичними цікавинками, посіли центральне місце в нашому розумінні Всесвіту та того, як він виник. Чорна діра починає своє життя в яскравому світлі вмираючої зорі. У складках нашої галактики енергія, яку вивільняють наднові зорі, перемішує небесну суміш. Ударні хвилі від цих вибухів викликають конденсацію газу, а потім його займання.

Зорі народжуються… іноді сотні одночасно… Інтенсивні зоряні вітри від цих новонароджених зір формують величні замки з газу, які ми називаємо великими туманностями, якими давно захоплюються астрономи. Але для гігантських зір, які запустили цей процес наслідки жахливі.

Ще в середині 1800-х мореплавці підкорювали південні моря у світлі яскравої зорі, що знаходиться неподалік від площини нашої галактики в сузір’ї Кіля. Більше десяти років вона була другою за яскравістю зорею на небі після Сіріуса (за деякими даними вона була просто дуже яскравою, а на срібному п’єдесталі знаходилась лише 4 дні з 11 березня по 14 березня 1843 року, але це не дуже важливо для нашої розповіді). Отже, саме з того моменту астрономи інтенсивно вивчають її.

Зоря під назвою Ета Кіля зазнала того, що зараз відомо під назвою “великий спалах”. Спалах, був розділений на дві яскраво сяяючі газові хмари, які простягнулися приблизно на 12 трильйонів кілометрів від краю до краю.

Зовсім нещодавно астрономи виявили, що Ета Кіля – це насправді дві гігантські зірки, які близько обертаються одна біля одної. Щоб пояснити надзвичайну турбулентність цієї сцени, вчені змоделювали люті гарячі вітри, що вириваються з цих двох велетнів. Орбітальні рухи двох зір дозволили їм ніби прив’язати до себе ще більшу масу, яка в 90 разів перевищує масу Сонця. Тепер ми знаємо, що Ета Кіля — це наднова, яка чекає свого подальшого розвитку. З часом вона загине з конвульсіями, потім зруйнується та вибухне.

Дослідження довжиною в тисячу років

Протягом історії наше розуміння розвитку космосу формувалося знаннями про кілька наднових, що були видимі неозброєним оком. Деякі археологи вважають, що цей малюнок зображує наднову, помічену північноамериканськими древніми астрономами в 1054 році.

Ця ж подія була також зареєстрована в Китаї, Кореї та на Близькому Сході. В Європі в цей же час спостереження наднових допомагають розвіяти переважаючу віру в те, що небеса статичні та незмінні.

Астроном Тихо Браге бачив одну наднову у 1572 році. 

“Я був настільки здивований неймовірністю того, що побачив, що я почав сумніватися у зображеннях, отриманих власними очами”.

Вже у наш час астрономи інтенсивно вивчали залишки вибуху, що відбувся у 1054 році. Це була знаменита Крабоподібна туманність. Хвилі випромінювання, що сформувались під час вибуху, ніби викарбували кругові візерунки в навколишньому газі. Їх видно у радіо, інфрачервоному, оптичному, ультрафіолетовому та рентгенівському діапазонах.

Науковці можуть побачити ознаки струменю, що вилітає з центральної області Крабоподібної туманності. Ця енергія надходить від крихітного обертового об’єкта в центрі розміром із середньостатистичне місто. Ця нейтронна зірка складається не з будь-яких елементів, а з субатомних частинок, упакованих силою тяжіння в надщільну сферу. Фізики вважають це чимось схожим на єдиний величезний атом. Це приблизно еквівалентно тому, як упакувати гору Еверест у невеличкий шматок цукру. Але деякі зорі, що вмирають, зустрічають ще дивнішу долю.

Дивні темні зорі

У 1796 році П’єр Симон, маркіз де ла Плас, описав дивний різновид темних зір, настільки важких, що їх гравітація не дає світлу вийти. Ця ідея не набула достатньої популярності. Це продовжувалось протягом століття. 

Ісаак Ньютон описав гравітацію як силу тяжіння між двома масами. На початку 20-го століття рівняння Альберта Айнштайна показали, що гравітація насправді є спотворенням простору-часу масивними об'єктами. Таким чином планета, зоря чи навіть галактика створює гравітаційний колодязь, який викривлятиме шлях інших об’єктів, що прямують через нього. І це стосується навіть світла.

Як пізніше сказав фізик Джон Арчібальд Вілер, простір-час вказує матерії, як рухатися, матерія вказує простору-часу, як викривлятися. У 1919 році учасники тепер відомої експедиції Еддінгтона вирішили перевірити цю дивну ідею під час сонячного затемнення. Їхні дані показали, що гравітація Сонця викривляє шлях світла, що йде від зір, як і передбачав Айнштайн. 

Але, засновуючись на рівняннях Айнштайна, можна було дійти в роздумах та обчисленнях до дуже дивної перспективи. Ця перспектива дуже сильно нагадувала припущення П’єра Сімона. Якщо об’єкт достатньо щільний, він загинатиме промінь світла назад на себе, в результаті чого світло зникне.

Фізик Карл Шварцшильд, директор астрофізичної обсерваторії в Потсдамі у Німеччині, довів цю ідею до логічного завершення. Працюючи лейтенантом артилерії на фронті під час Першої світової війни, він виклав нове бачення на теорію Айнштайна, про що і написав автору. 

“Як ви бачите, війна поставилася до мене досить доброзичливо, незважаючи на сильну стрілянину, щоб дозволити мені втекти від усього цього і здійснити цю прогулянку країною ваших ідей”. 

Шварцшильд зрозумів, що об’єкти можуть стати настільки щільними, що їх маса буде упакована в нескінченно малу точку – сингулярність. Він підрахував, що ці дивні об’єкти мають бути обмежені більшою сферичною областю, за яку не може вийти світло. Він назвав це горизонтом подій. Але чи могли б такі об'єкти насправді існувати?

У 1939 році сам Айнштайн написав статтю, в якій намагався довести, що ці дивні об’єкти неможливі. Але лише через кілька місяців фізик Джуліус Роберт Оппенгеймер та його аспіранти опублікували власну статтю на цю тему. Поглянувши на математику колапсуючих зір під іншим кутом. Вони показали, що якщо батьківська зоря є достатньо масивною, сила колапсу буквально розчавить її ядро до точки. Нескінченно щільної, нескінченно вигнутої цятки чистої гравітаційної енергії.

Через смерті людей до центру Галактики

Завдяки Голівуду зараз дуже багато хто знає, що Оппенгеймер став ініціатором розробки атомної бомби, заклавши основи сучасної науки про чорні діри. Ви справедливо можете запитати, а який зв’язок? Я відповім… атомна ера принесла абсолютно новий фокус на вивчення так званої екстремальної фізики. А безпосередньо бомба була жахливим спростуванням головної причини, через яку Айнштайн припустив, що чорні діри не існують. 

Найстрашніша зброя в історії людства довела, що невелика маса може перетворитися на величезну кількість енергії. Науковці почали досліджувати величезні сили, що вивільняються, коли атоми розщеплюються, в ланцюгових реакціях, що лежать в основі атомних і термоядерних бомб.

Використовуючи передові нові комп’ютери, розроблені для моделювання та прогнозування цих вибухів астрофізики почали досліджувати механізми, що працюють глибоко всередині зір, де легші елементи горять і зливаються у важчі. В результаті вони побачили, як це може призвести до колапсу та вибуху великих зір. Цей жахливий результат загибелі зір розбурхав загальну наукову уяву в 1967 році, коли фізик Джон Вілер назвав його чорною дірою.

Насправді, ще до того, як з’явилась така звична для нас назва, астрономи вже працювали над пошуком цих монстрів. У 1964 році ракета-зонд зафіксувала джерело рентгенівського випромінювання високої енергії в південному сузір’ї Лебедя. Пізніші супутники зафіксували пульсуючий ритм його світла, який переривався дивовижними спалахами енергії. Після точного визначення місця розташування об’єкта наземні обсерваторії виявили гігантську зорю, яка сама по собі не може випромінювати рентгенівське випромінювання. Астрономи дійшли висновку, що

Лебідь Х-1 — це зоря з невидимим супутником, який просто поїдає її живцем. Оповитий ореолом сяючого газу, що витікає із зорі, об’єкт важить у 15 разів більше за масу нашого Сонця… Це перша підтверджена чорна діра…

Це комп’ютерне моделювання показує, як чорна діра виявляє свою присутність. Матерія, що обертається та падає в безодню, утворює так званий акреційний диск. Обертовий рух створює потужні магнітні поля, які здіймають ураган частинок і штовхають їх від полюсів майже зі швидкістю світла.

Якби ви впали в чорну діру розміром із зорю, сила її тяжіння зросла б настільки різко, що ви б розтягнулися у струну товщиною в один атом. Саме цей ефект фізик Стівен Гокінг колись назвав спагеттифікацією. Моделі еволюції зір припускають, що тільки у нашому Чумацькому Шляху може бути до мільярда чорних дір. Але вони карликові порівняно з набагато більшою та потужнішою присутністю, що ховається в самому ядрі нашої галактики.

Наш рідний…монстр

Перші натяки на таку присутність з'явилися в 1932 році. Знаменита телефонна компанія Белл була стурбована постійними статичними перешкодами для свого нового винаходу. Того, який вона вважала новою революційною технологією міжміського радіозв'язку. Компанія доручила радіоастроному Карлу Янському знайти джерела перешкод. Використовуючи незграбний радіоприймач, Янський методично сканував радіохвилі. Він простежив більшу частину статики до грози. Одні джерела були поблизу, а інші — дуже далеко. Й ось, 16 вересня 1932 року, він почув “радіо гуркіт”, який він ніяк не міг пояснити

Цей особливий шум з'явився, коли антену було спрямовано на сузір'я Стрільця в напрямку центру нашої галактики. Цей шум повертався кожні 23 години 56 хвилин рівно на один земний день по відношенню до зір. Звістка про відкриття Янського вийшла на загал. Він запевнив громадськість, що це не інопланетяни, які шукають контакту. Але астрономам знадобилося ще 30 років, щоб дізнатися, що це було.

У 1960-х роках передові радіотелескопи почали вловлювати сигнали з далекого космосу. Не знаючи, що це таке, спостерігачі скорочено назвали їх квазізоряними радіоджерелами. Чи, більш відомою нам назвою, квазарами.

Ці яскраві блакитні маяки випромінювали набагато більшу енергію, ніж зоря. Проте який космічний двигун продукував цю енергію? Радіоастрономи виявили, що деякі з них мають блискучі струмені, що походять із центрів галактик і сягають довжини у мільйони світлових років у космос. Дивлячись на їх спектри світла, дослідники зрозуміли, що це насправді струмені надгарячого газу, пролітаючи сотні тисяч кілометрів щосекунди. Перед науковцями знову постало питання - чи може така особливість нарешті пояснити відкриття Янського? Щоб знайти відповідь, знадобиться нове покоління гігантських телескопів. А про них я розповім в наступній статті.