Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Марроне в 2011 году потребовалось полгода, чтобы получить одобрение заявки на грант, после чего он занялся разработкой и созданием нужного оборудования для небольшого радиотелескопа, необходимого для наблюдения черных дыр. В частности, он разработал когерентный приемник для измерения электрического поля любого источника, на который направлен телескоп. По словам Марроне, приемник похож на “очень крутое радио, работающее при температуре четыре кельвина”, а это означает, что он почти такой же холодный, как межзвездное пространство, так что все шумы сведены к минимуму. И именно этот приемник вместе со сверхточными атомными часами Марроне использует каждый раз, когда работает с радиотелескопом.

Хотя галактика M87 не видна из Антарктиды, наблюдение с помощью телескопа SPT другого источника в небе – квазара 3С279 – значительно повысило уверенность астрономов в окончательном результате. “В противном случае, я думаю, мы бы намного больше нервничали”, – говорит Марроне. В шести статьях, вышедших примерно в то же время, что и фотография “пончика”, приведено значение массы центральной черной дыры M87 и направление ее вращения. По словам Марроне, у них теперь появились первые представления о ее ближайшем окружении, что позволит астрономам лучше понять, что представляют собой релятивистские струи (джеты) из черных дыр.

За многие годы наблюдений центра галактики M87 восемь телескопов обсерватории EHT собрали также детальные данные по нашей черной дыре Стрелец А*.

В сочетании с данными телескопа ALMA, расположенного на вершине плато Чахнантор в Чили, эти результаты вскоре должны позволить исследователям получить изображение нашей собственной черной дыры, а точнее, ее тени[30]. С помощью этих изображений ученые надеются узнать больше об окружающей сверхмассивные черные дыры среде – сверхгорячем газе и пыли, в которых они купаются, а затем пожирают, а также об огромных струях (джетах), которыми они выстреливают, когда поглощаемый газ ускоряется8.

Как образуются сверхмассивные черные дыры – загадка. Но даже гораздо меньшие черные дыры звездной массы, которые, как мы теперь знаем, рождаются из сколлапсировавших и умерших массивных звезд, еще недавно были просто математическими концепциями и курьезами. В 1916 году математик Карл Шварцшильд решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна для сферической массы (их решением был ставший ныне знаменитым “радиус Шварцшильда” черной дыры). А в 1958 году физик из Технологического института Джорджии Дэвид Финкельштейн показал, что черные дыры имеют воображаемую границу, которую он назвал горизонтом событий, причем все объекты, включая свет, попавшие под эту границу, обратно вырваться не могут – и для них остальная Вселенная навсегда становится недоступной.

Тем не менее на протяжении десятилетий черные дыры – как имеющие звездную массу, так и сверхмассивные – были просто теоретическими (хотя и общепризнанными) концепциями. Только в середине XX века астрономы начали собирать доказательства их существования, в частности, ими стали первые наблюдения квазаров. Галактический источник рентгеновского излучения Лебедь X-1 был открыт в 1964 году, а позже ученые определили, что, скорее всего, он является черной дырой. Обнаружение LIGO гравитационных волн от столкновения двух черных дыр звездной массы 14 сентября 2015 года тоже оказалось очень полезным. Теперь, получив изображение с помощью обсерватории EHT, мы знаем, что сверхмассивные черные дыры тоже существуют в реальности.

Но как они стали такими большими? Ученые не знают, хотя есть предположение, что они возникли при слияниях множества черных дыр звездной массы (то есть порядка десятков или сотен солнечных масс), которые могли произойти в ранней Вселенной. При слияниях они прирастали поглощаемым газом, увеличивая свою массу, что в конечном  итоге привело к появлению сверхмассивных черных дыр9.

Считается, что в течение эволюции Вселенной галактики тоже сталкивались и сливались. Наш собственный Млечный Путь, например, находится в процессе сближения с соседней галактикой Андромеда. Через 4,5 миллиарда лет они сольются. Гораздо дальше от Земли, на расстоянии около миллиарда световых лет, астрономы даже обнаружили редкую систему из трех галактик, названную SDSS J0849 + 1114, причем каждая из них имеет свою собственную сверхмассивную черную дыру. Создается впечатление, что эти три галактики готовятся к феерическому столкновению10.

Когда галактики сливаются таким образом, их центральные черные дыры тоже должны слиться и превратиться в еще более сверхмассивного гиганта (особенно если поблизости есть третья черная дыра, которая может подтянуть их ближе друг к другу). Компьютерное моделирование показывает, что по-настоящему массивные черные дыры могли испытать до двадцати слияний за время своей жизни. Черная дыра галактики M87 тоже могла претерпеть несколько слияний, поскольку она в миллиарды раз массивнее Солнца или любой черной дыры звездной массы. В то же время астрономы считают, что сверхмассивная черная дыра постепенно приобретает большую часть своей массы, заглатывая межзвездный газ, который падает на нее, когда в ее родительскую галактику вторгается другая галактика. “Мы не вполне точно знаем, какой из этих двух факторов важнее: аккреция (поглощение) газа или слияние”, – говорит Скотт Рэнсом, астроном из Национальной радиоастрономической обсерватории и Университета Вирджинии.

Пока все это теоретические рассуждения, но считается, что, когда галактики сливаются, спиральное падение и окончательное столкновение их сверхмассивных черных дыр должны провоцировать распространение гравитационных волн во всех направлениях. Мы знаем, что массивные тела в космосе нарушают ткань пространства-времени, создавая воронки. Отдельно расположенная масса сама по себе не приводит к излучению гравитационных волн, но движение двух ускоряющихся масс друг относительно друга может это сделать. Чем больше возмущение, тем сильнее пространство-время реагирует на него, посылая более мощные волны.

Как я писала ранее, Халс и Тейлор привели косвенные свидетельства существования гравитационных волн, когда заметили сужающуюся орбиту у пульсара в открытой ими двойной системе. Затем, в сентябре 2015 года, LIGO уловил гравитационные волны непосредственно от слияния двух черных дыр звездной массы. А Марика Бранчези узнала о гравитационных волнах, возникших при первом наблюдаемом столкновении двух нейтронных звезд, утром 17 августа 2017 года после ночи, проведенной в больнице в Урбино на родах сестры.

Однако гравитационная рябь от гипотетического слияния двух сверхмассивных черных дыр будет распространяться намного дольше и меняться медленнее, а частоты гравитационных волн будут лежать в наногерцевом диапазоне, так что плечи детекторов LIGO и Virgo не смогут их обнаружить ни при каких условиях. Непосредственно перед слиянием черные дыры со звездными массами закручиваются по спирали друг относительно друга, оборачиваясь вокруг общего центра масс много раз за секунду. Гравитационные волны, которые они излучают во время этой стадии спирального падения и столкновения, имеют очень высокую частоту – в диапазоне от 7 кГц (длина волны 43 км) до 30 Гц (длина волны 10 000 км). Наши наземные детекторы измеряют, насколько сжимается каждое их плечо. Для длин волн, превышающих длину плеч, LIGO приходится измерять сжатие плеча намного меньшее, чем длина волны, поэтому детекторы измеряют растяжение плеча, соответствующее двум точкам, расположенным на волне близко друг к другу, то есть по существу измеряется “крутизна” приходящей волны. При увеличении длин волн оказывается, что чем длиннее волны, тем меньше их крутизна и тем меньше чувствительность LIGO к ним.

Однако, когда сверхмассивная черная дыра с массой в миллиард солнечных масс образует двойную систему с другой черной дырой аналогичного размера, они будут годами обращаться по орбите, прежде чем столкнутся друг с другом. При их падении по спирали и столкновении испускаются гравитационные волны длиной в световые годы (сотни триллионов километров) и чрезвычайно низкой частоты – ни LIGO, ни Virgo, ни какой-либо другой наземный детектор не заметят, когда и если такая волна накроет их11.