Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 20 страниц)

Ми аналізували дані через кілька місяців, коли вже поверталися в МТІ. Якось пізно ввечері я був у комп’ютерному залі, мені допомагав Террі Торсос. Тоді в нас були величезні ЕОМ. Приміщення обладнували кондиціонерами, бо комп’ютери дуже сильно нагрівали повітря. Пам’ятаю, це було приблизно об одинадцятій вечора. Якщо вам потрібно було щось обчислити на комп’ютері, вечір — ідеальний час для цього. Тоді не можна було запустити потрібні програми самостійно, без оператора ЕОМ. Я зайняв чергу до нього і став терпляче чекати.

І от я передивляюся дані з польоту аеростата й несподівано помічаю різке зростання густини потоку рентгенівського випромінювання від Скорпіон X-1. Просто там, на роздруківці з комп’ютера, густина потоку зросла в чотири рази за якихось десять хвилин, це тривало десь півгодини, а потім світіння пішло на спад. Ми зафіксували величезний рентгенівський спалах від Скорпіон X-1. Раніше ніхто такого не бачив. Зазвичай ми казали собі: «Може, цей спалах можна пояснити якось інакше? А раптом це через несправний детектор?». У цьому випадку я не мав жодних сумнівів. Я знав обладнання як свої п’ять пальців. Я був упевнений у нашій підготовці й тестуваннях, а під час польоту ми постійно перевіряли детектор і кожні двадцять хвилин робили контрольні вимірювання рентгенівського спектра відомого радіоактивного джерела. Обладнання працювало бездоганно. Я був переконаний у даних стовідсотково. На роздруківці з комп’ютера я бачив, що густина потоку випромінювання зросла, а потім упала. З усіх джерел, за якими ми спостерігали в цей десятигодинний політ, так поводилось лише одне — Скорпіон X-1. Усе це було насправді!

Уранці я показав результати Джорджу Кларку, і він мало не впав зі стільця. Ми обоє добре розуміли, що це означає, й нетямилися від радості. Ніхто навіть не припускав, не те що спостерігав, зміну густини потоку випромінювання рентгенівського джерела в межах десяти хвилин. Спалах від Центавр X-2 зменшився втричі протягом кількох тижнів після його виявлення, а в нас було зростання мінливості в чотири рази протягом десяти хвилин — приблизно в 3000 разів швидше.

Ми знали, що Скорпіон X-1 випромінює 99,9 відсотка своєї енергії в рентгенівському діапазоні, а його рентгенівська світність приблизно в 10 000 разів більша, ніж загальна світність Сонця, і в 10 мільярдів разів більша за його рентгенівську світність. Щоб Скорпіон X-1 змінював свою світність у чотири рази в межах десяти хвилин — це щось незбагненне з погляду фізики. Якби Сонце за десять хвилин стало в чотири рази яскравішим, як ви пояснили б таке явище? Я налякався б до смерті.

Відкриття змінності джерела в таких часових межах було чи не найважливішим у рентгенівській астрономії, здійсненим за допомогою спостереження з повітряних куль. Як я вже згадував, крім того ми відкрили джерела випромінювання, непомітні для ракет, і це також було важливо. Але ніщо не мало такого ефекту, як десятихвилинна зміна блиску від Скорпіон X-1.

Відкриття було таким несподіваним, що багато вчених не мог­ли в це повірити. Навіть дослідники мають великі очікування, і часом вони неохоче відмовляються від них. Легендарний редактор журналу Astrophysical Journal Letters Субрахманьян Чандрасекар відправив нашу статтю про Скорпіон X-1 рецензенту, і той узагалі не повірив у наше відкриття. Я досі пам’ятаю це, хоч і минуло сорок із чимось років. Він написав: «Це просто нонсенс, адже нам відомо, що потужні джерела рентгенівського випромінювання не можуть змінюватися в межах десяти хвилин».

Нам довелося переконувати редакцію журналу надрукувати статтю. У 1962 році точнісінько те саме був змушений робити Россі. Редактор Physical Review Letters Семюел Ґудсміт прийняв статтю, що дала початок рентгенівській астрономії, тому що це був Россі, і він був ладен, як писав згодом, узяти на себе «особисту відповідальність» за її зміст.

Зараз, маючи набагато чутливіші телескопи й інші вимірювальні прилади, ми знаємо, що змінність випромінювання притаманна багатьом джерелам, і може відбуватися в будь-яких часових межах, тобто якщо постійно, день у день спостерігати за джерелом, густина потоку випромінювання щодня буде різною. Якщо порівнювати значення густини потоку щосекунди, воно також змінюватиметься. Навіть якщо аналізувати дані по мілісекундах, можна виявити зміну потоку в деяких джерелах. Але в ті часи навіть десятихвилинний проміжок був чимось новим і несподіваним.

Я розповідав про це відкриття в МТІ в лютому 1968 року і був схвильований, коли побачив серед слухачів Ріккардо Джакконі та Герба Ґурскі. Було таке відчуття, наче я домігся визнання і потрапив в епіцентр досліджень у цій галузі.

У наступних кількох розділах я ознайомлю вас із багатьма таємницями, які розгадала рентгенівська астрономія, а також із тими, на які ми, астрофізики, досі намагаємося знайти відповідь. Ми побачимо нейтронні зорі й зануримося у глибини чорних дір. Тримайтеся міцніше.

Розділ 12

Космічні катастрофи, нейтронні зорі та чорні діри

Нейтронні зорі стоять у самому центрі історії рентгенівської астрономії. І вони надзвичайно круті. Чого тільки варта їхня поверхнева температура, яка часто перевищує мільйони кельвінів, а це в 100 разів більше, ніж на поверхні Сонця.

Джеймс Чедвік відкрив нейтрон у 1932 році (за це він отримав Нобелівську премію з фізики в 1935 році). Після цього визначного відкриття, яке, на думку багатьох фізиків, дало нам повну картину структури атома, Вальтер Бааде та Фріц Цвіккі припустили, що в результаті спалаху наднової утворюється нейтронна зоря. Як виявилося, вони цілком мали рацію. Нейтронні зорі виникають унаслідок катастрофічних подій на завершальному етапі існування масивної зорі, однієї з найстрімкіших і найвидовищніших пригод у відомому Всесвіті, — колапсу ядра наднової.

Зоря, з якої потім утвориться нейтронна, не схожа на Сонце, а масивніша за нього принаймні у вісім разів. У нашій Галактиці приблизно мільярд нейтронних зір, але порівняно із загальною кількістю зір усіх можливих видів їх усе одно вважають рідкісними. Подібно до багатьох тіл у світі — та Всесвіті — зорі можуть «жити» тільки завдяки своїй здатності досягати приблизної рівноваги між надзвичайно могутніми силами. У надрах зорі за температур у десятки мільйонів кельвінів відбуваються термоядерні реакції, під час яких виробляється величезна кількість енергії, що створює тиск. Ядро Сонця має температуру приблизно 15 мільйонів кельвінів і щосекунди виробляє енергію, що перевищує потужність мільярда водневих бомб.

Поки зоря перебуває в стабільному стані, цей тиск урівноважується гравітацією, яку створює велика маса зорі. Якщо ці дві сили — спрямований назовні тиск термоядерного реактора і гравітація, що діє в протилежному напрямку, — не збалансовуються, зоря виходить зі стану рівноваги. Наприклад, ми знаємо, що Сонце існує вже приблизно 5 мільярдів років і має проіснувати в такому ж вигляді ще стільки само. Перш ніж загинути, зоря зазнає видовищних змін. Витративши більшість запасів ядерного палива в ядрі та наблизившись до завершального етапу свого розвит­­ку, багато зір спочатку влаштовують вогняне шоу. Особливо це стосується масивних зір. Наднові певною мірою нагадують трагічних театральних героїв, які часто закінчують своє грандіозне життя вибухом катартичних переживань, пристрасно і голосно благаючи глядачів, за словами Аристотеля, про співчуття і викликаючи в них страх.

Найекстравагантніший з усіх варіантів загибелі зорі — колапс ядра наднової, одне з найенергетичніших явищ у Всесвіті. Спробую віддати їй належне. Коли реакція в ядерному реакторі у надрах масивної зорі починає сходити нанівець — будь-яке паливо колись закінчується — і тиск, який він створює, зменшується, неослабна й вічна сила гравітаційного притягання перемагає.

Те, як зоря використовує паливо, — досить складний, але водночас захопливий процес. Спершу дуже масивні зорі, як і більшість інших зір, спалюють водень, утворюючи гелій. Зорі отримують енергію з ядерних реакцій, тільки не розпаду, а синтезу: чотири ядра водню (протони) за надзвичайно високої температури зливаються, утворюючи ядро гелію, і в результаті виділяється тепло. Коли водень закінчується, ядро зорі стискається (під дією гравітації), від чого температура підвищується і стає достатньою, щоб з гелію почав утворюватися вуглець. Зорі, маса яких приблизно в 10 разів більша за масу Сонця, після вигоряння вуглецю послідовно спалюють кисень, неон, силіцій, і зрештою у них формується залізне ядро.

Після кожного циклу горіння ядро стискається, його температура підвищується, і починається новий цикл. Кожен наступний цикл виробляє менше енергії і коротший за попередній. Наприклад, цикл горіння водню може тривати 10 мільйонів років (залежно від точної маси зорі) за температури 35 мільйонів кельвінів, тоді як завершальний цикл горіння силіцію може тривати лише кілька днів, а температура може сягати 3 мільярдів кельвінів. Під час кожного циклу зоря спалює більшість продуктів, утворених у попередньому циклі. Оце так повторна переробка!

Кінець настає, коли в результаті злиття силіцію утворюється залізо, ядро якого найстабільніше з усіх елементів періодичної системи. Під час злиття заліза у важчі ядра енергія не виділяється, а навпаки — поглинається, тому енергетичний реактор зупиняється. Зоря утворює дедалі більше заліза, і ядро швидко зростає.

Коли маса залізного ядра стає приблизно в 1,4 раза більшою, ніж маса Сонця, воно досягає своєрідної магічної межі, відомої як межа Чандрасекара (її так назвали на честь уславленого астронома). На цьому етапі тиск у ядрі вже не може протистояти потужній дії гравітації, і ядро стрімко стискається, що призводить до спалаху наднової.

Уявіть, як багатотисячна армія бере в облогу колись величний замок, і його мури починають руйнуватися під її натиском. (Спадають на думку батальні сцени з «Володаря перснів», коли незліченне військо орків проривається крізь мури). Ядро стискається за мілісекунди, і коли на нього падає оболонка зорі — узагалі-то, вона мчить із фантастичною швидкістю, десь у чотири рази меншою за швидкість світла, — температура всередині зростає до немислимих 100 мільярдів кельвінів, що в 10 000 разів більше за температуру ядра Сонця.

Якщо маса поодинокої зорі менша за 25 мас Сонця, але більша за його 10 мас, унаслідок колапсу ядра в її центрі з’явиться зовсім інший астрономічний об’єкт — нейтронна зоря. Поодинокі зорі з масами від восьми до десяти мас Сонця також перетворюються на нейтронні зорі, але їхня еволюція (про яку тут не йшлося) відрізняється від описаного вище сценарію.

Стискуване ядро має велику густину, електрони в ньому зливаються із протонами. Негативний заряд окремого електрона нейтралізує позитивний заряд протона, і вони об’єднуються, утворюючи нейтрон і нейтрино. Поодинокі ядра припиняють існування, зникнувши в масі так званої виродженої нейтронної матерії. (Нарешті якісь пікантні назви!) Мені подобається назва тиску, що врівноважує гравітацію, — тиск виродженого нейтронного газу. Якщо ця потенційна нейтронна зоря стає масивнішою, ніж три маси Сонця, що стається, коли маса поодинокої зорі (що називається зорею-попередником) більша за 25 мас Сонця, гравітація переважає навіть тиск виродженого газу. І що тоді, по-вашому, станеться? Спробуйте вгадати.

Правильно. Думаю, ви здогадалися. Це не що інше, як чорна діра, де матерія вже не може існувати в жодній зрозумілій нам формі, а гравітація така потужна, що звідти не може вирватися ніяке випромінювання: ні світло, ні рентгенівські промені, ні гамма-промені, ні нейтрино, нічогісінько. Еволюція зір у подвійних системах (про це говоритимемо в наступному розділі) дуже відрізняється від еволюції поодиноких зір, тому що в такій системі масивна зоря може втратити оболонку ще на ранньому етапі і маса ядра не зросте так, як у поодинокої зорі. Тоді навіть зоря, початкова маса якої в 40 разів перевищує масу Сонця, може залишитися нейтронною зорею.

Варто наголосити: немає чіткої межі, яка відділяє зорі, що утворюють нейтронні зорі, від тих, що утворюють чорні діри. Крім маси зорі-попередника, це залежить від багатьох інших чинників. Наприклад, важливе значення має обертання зорі.

Але чорні діри справді існують — це не вигадка божевільних учених і наукових фантастів — і вони надзвичайно цікаві. Вони глибоко пов’язані з рентгенівським всесвітом, і я ще до них повернуся, обіцяю. Поки що обмежуся таким: вони не тільки існують. Цілком можливо, що вони утворюють ядро будь-якої більш-менш великої галактики у Всесвіті.

Повернімося до колапсу ядра. Після утворення нейтронної зорі — не забувайте, ми говоримо про мілісекунди — зоряна матерія, що все ще мчить у її напрямку, буквально відскакує, утворюючи спрямовану назовні ударну хвилю, яка зрештою затухає, бо енергія витрачається на розпад решти ядер заліза. (Пригадайте, що під час утворення ядер заліза з легших елементів вивільняється енергія, тому розщеплення ядер заліза відбувається із поглинанням енергії). Під час колапсу ядра зорі утворюються не тільки нейтрони, але й нейтрино. Крім того, за температури ядра близько 100 мільярдів кельвінів утворюються так звані теплові нейтрино. Потік нейтрино виносить приблизно 99 відсотків (орієнтовно 1046 джоулів) енергії, що вивільняється в результаті колапсу ядра. Ще 1 відсоток (1044 джоулів) виділяється здебільшого у вигляді кінетичної енергії матерії, яку викидає зоря.

Практично позбавлені маси й нейтрально заряджені нейтрино зазвичай легко проникають крізь майже будь-яку матерію, і більшість з них залишає ядро зорі. Утім, через надзвичайно високу густину навколишньої матерії, вони передають їй приблизно 1 відсоток своєї енергії, від чого матерія розлітається на швидкості до 20 000 кілометрів за секунду. Частину цієї матерії можна спостерігати за багато тисячоліть після спалаху — це так званий залишок наднової (наприклад, Крабоподібна туманність).

Спалах наднової засліплює: на піку яскравості її світність у видимих променях становить приблизно 1035 джоулів за секунду. Це в 300 мільйонів разів більше за світність Сонця, тому коли наднова спалахує в нашій Галактиці (що стається в середньому двічі на століття), ми спостерігаємо видовище неймовірної краси. Сьогодні за допомогою автоматизованих і роботизованих телескопів астрономи щороку відкривають у великому «зоопарку» відносно близько розташованих галактик від кількох сотень до тисячі наднових.

Унаслідок колапсу ядра приблизно за одну секунду виділяється у 200 разів більше енергії, ніж Сонце виробило за останні п’ять міль­ярдів років, — і 99 відсотків випромінюється у вигляді нейтрино.

Саме це сталося в 1054 році, і в результаті на небі з’явилася найяскравіша за останнє тисячоліття зоря — така, що кілька тижнів її було видно навіть удень.

Справжня космічна одноденка, наднова за кілька років тьмяніє, коли газ охолоджується й розсіюється. Проте сам газ не зникає. Унаслідок спалаху 1054 року утворилася не тільки поодинока нейтронна зоря, а і Крабоподібна туманність — один із найдивовижніших небесних об’єктів, який досі змінюється, практично невичерпне джерело нових даних, надзвичайних знімків і наукових відкриттів. Дуже багато астрономічних процесів відбувається в колосальних часових масштабах, співмірних із геологічними періодами, — мільйони й мільярди років. Тому коли ми виявляємо щось, що відбувається дуже швидко, у межах секунд, хвилин чи навіть років, це особливо захоплює. Частини Крабоподібної туманності змінюють форму що кілька днів і, за даними спостережень космічного телескопа «Габбл» і рентгенівської обсерваторії «Чандра», залишок наднової SN 1987А (розташованої у Великій Магеллановій Хмарі) також змінює форму, і ми можемо спостерігати за цим процесом.

Три нейтринні обсерваторії на Землі зафіксували одночасні спалахи нейтринного випромінювання наднової SN 1987А, світло від якої досягло нас 23 лютого 1987 року. Нейтрино так складно виявити, що згадані три телескопи протягом 13 секунд помітили тільки 25 із приблизно 300 трильйонів (3 · 1014) нейтрино, які за ці 13 секунд пролилися на кожен квадратний метр поверхні Землі, оберненої до наднової. Унаслідок спалаху наднової було викинуто орієнтовно 1058 нейтрино, майже немислиму кількість, але зважаючи на велику відстань від Землі (приблизно 170 000 світлових років), до нас долетіло «лише» 4 ∙ 1028 нейтрино, тобто на 30 порядків менше. Більше ніж 99,9999999 відсотка просто пройшло крізь нашу планету; щоб зупинити приблизно половину нейтрино, знадобився б шар свинцю завтовшки світловий рік (1013 кілометрів).

Приблизно 20 000 років тому попередник наднової SN 1987A скинув газову оболонку, внаслідок чого навколо зорі утворилися кільця, які вперше помітили приблизно через вісім місяців після спалаху наднової. Швидкість викинутого газу була порівняно невисока — лише 8 кілометрів за секунду, але за роки оболонка віддалилася приблизно на дві третини світлового року — вісім світлових місяців.

Отже, наднова вибухнула, і за вісім місяців ультрафіолетове світло від вибуху (що рухалося, звісно, зі швидкістю світла) наздогнало кільце матерії і, так би мовити, запалило його, і кільце почало випромінювати видиме світло. У вклейці ви можете побачити знімок SN 1987A.

Але є ще дещо цікавеньке, і воно пов’язане з рентгенівським випромінюванням. Газ, який викинула наднова під час спалаху, рухався зі швидкістю близько 20 000 кілометрів за секунду, тобто лише в 15 разів повільніше за швидкість світла. Знаючи, на якій відстані перебувало кільце, ми також можемо передбачити приблизний час, коли викинута із зорі речовина зіткнеться з ним; сталося це трохи більше ніж через 11 років, і в результаті утворилося рентгенівське випромінювання. Звісно, не можна забувати, що хоч ми й говоримо про це так, наче все відбувалося в останні кілька десятиліть, бо наднова SN 1987A розташована у Великій Магеллановій Хмарі, насправді це сталося приблизно 170 000 років тому.

На сьогодні в залишку наднової SN 1987A не вдалося виявити жодної нейтронної зорі. На думку деяких астрофізиків, під час колапсу ядра після утворення нейтронної зорі сформувалася чорна діра. У 1990 році я побився об заклад зі Стеном Вузлі з Каліфорнійського університету (Санта-Круз), одним із найкращих у світі експертів з наднових, чи знайдуть нейтронну зорю впродовж наступних п’яти років. Я програв 100 баксів.

Ці дивовижні явища викликають інші вражаючі ефекти. У розжареній топці наднової відбуваються реакції ядерного синтезу вищого порядку, в яких утворюються набагато важчі за залізо елементи. Урешті-решт вони потрапляють у газові хмари, які потім можуть зливатися та стискатися, формуючи нові зорі й планети. Ми всі, і люди, і тварини, складаємося з елементів, сформованих у надрах зір. Якби не ці зоряні пічки й приголомшливо потужні спалахи, починаючи з Великого вибуху, не існувало б того різноманіття хімічних елементів, яке ми спостерігаємо в періодичній таблиці. Отже, ми можемо, мабуть, порівняти спалах наднової з небесною лісовою пожежею (щоправда, невеличкою), яка, спалюючи одну зорю, створює умови для народження нових зір і планет.

Нейтронні зорі за всіма мірками виняткові. Діаметром вони лише 10–15 кілометрів (менші, ніж деякі астероїди між Марсом і Юпітером), тобто приблизно в 100 000 разів менші за Сонце, а їхня густина в 300 більйонів (300 · 1012) разів більша, ніж середня густина Сонця. Чайна ложка речовини з нейтронної зорі на Землі важила б 100 мільйонів тонн.

Ще мені подобається в нейтронних зорях те, що, просто вимовляючи або пишучи їхню назву, ми поєднуємо дві фізичні протилежності — крихітне й безмежне, щось настільки малесеньке, чого ми ніколи не побачимо, але таке щільне, що виходить за межі нашого розуміння.

Нейтронні зорі обертаються, до того ж деякі із приголомшливою швидкістю — особливо на початку існування. Чому? Із тієї само причини, чому фігуристка починає крутитися швидше, коли притискає руки до тулуба. Описуючи подібні явища, фізики кажуть про збереження моменту кількості руху (імпульсу). Докладно пояснити момент імпульсу трохи важко, але сам принцип надзвичайно простий.

Як це пов’язано з нейтронними зорями? А ось так: кожне тіло у Всесвіті обертається. Тому зоря, з якої утворилася нейтронна, теж оберталася. Під час вибуху вона скинула більшу частину своєї речовини, але притримала одну-дві маси Сонця, тепер сконцентровані в об’єкті, що в кілька тисяч разів менший за ядро зорі до колапсу. Оскільки момент імпульсу зберігається, частота обертання нейтронних зір зростає принаймні в мільйон разів.

Перші дві нейтронні зорі, які відкрила Джоселін Белл (див. далі), роблять повний оберт майже за 1,3 секунди. Нейтронна зоря в Крабоподібній туманності здійснює приблизно 30 обертів за секунду, тоді як найшвидша з досі виявлених зір обертається із приголомш­ливою частотою — 716 разів за секунду. Це означає, що швидкість на її екваторі становить приблизно 15 відсотків швидкості світла!

Той факт, що всі нейтронні зорі обертаються і більшість з них має значне магнітне поле, зумовлює важливе астрономічне явище, відоме як пульсари (назва pulsar — це скорочення від pulsating star — «пульсуюча зоря»). Пульсари — це нейтронні зорі, що випромінюють пучки радіохвиль зі своїх магнітних полюсів, які, як і у випадку із Землею, не збігаються з географічними полюсами — точками на кінцях осі, навколо якої обертається зоря. Під час обертання зорі пучки радіохвиль від пульсара ширяли небом. З погляду спостерігача, який перебуває на шляху пучка, зоря пульсує з постійними інтервалами, і він бачить промені протягом якоїсь часини. Астрономи з очевидних причин іноді називають це ефектом маяка. Вже відкрито півдесятка поодиноких нейтронних зір (не плутати з нейтронними зорями в подвійних системах!), які пульсують у величезному діапазоні електромагнітного спектра, до якого входять радіохвилі, видиме світло, рентгенівські й гамма-промені. До них належить пульсар у Крабоподібній туманності.

Перший пульсар у 1967 році відкрила Джоселін Белл, яка тоді була аспіранткою Кембриджу. Вона і її науковий керівник Ентоні Г’юїш спочатку не знали, як пояснити регулярність сигналів, що тривали лише приблизно 0,04 секунди з інтервалом майже 1,3373 секунди (зараз це називають періодом пульсара). Пульсар назвали LGM-1 (скорочено від Little Green Men — «маленькі зелені чоловічки»), натякаючи на те, що ритмічна пульсація може бути сигналом від якоїсь позаземної цивілізації. Незабаром Белл відкрила другий пульсар з періодом приблизно 1,2 секунди, і стало зрозуміло, що ці імпульси не пов’язані з інопланетянами — з якого дива двом абсолютно різним цивілізаціям посилати на Землю сигнали з приблизно однаковою періодичністю? Невдовзі після того, як Белл і Г’юїш опублікували результати своїх досліджень, Томас Ґолд з Корнельського університету впізнав у пульсарах обертові нейтронні зорі.

Чорні діри

Я обіцяв, що ми до них дійдемо. Настав час уважно роздивитися ці химерні об’єкти. Я розумію, чому деякі люди бояться їх. Погулявши трохи на YouTube, ви можете побачити десятки гіпотетичних «реконструкцій» чорних дір, більшість яких потрапляє в категорію «зірок смерті» або «пожирачів зір». У суспільній свідомості чорні діри — це надмогутні космічні вирви, які затягують усе у свою ненаситну пащу.

Але думка про те, що чорна діра засмоктує все поблизу неї, геть хибна. Навіть якщо йдеться про надмасивну чорну діру. Навколо чорної діри із зоряною масою або навіть надмасивної чорної діри можуть обертатися різні астрономічні тіла, переважно зорі, водночас їхнє взаємне розташування зовсім не змінюється. Інакше наша Галактика Чумацький Шлях уже зникла б у розташованій у її центрі величезній чорній дірі, маса якої в 4 мільйони разів більша за масу Сонця.

То що ми знаємо про цього дивного «звіра»? Максимум для нейтронної зорі — приблизно три маси Сонця, потім вона стискається під дією гравітації, утворюючи чорну діру. Якщо маса початкової поодинокої зорі приблизно в 25 разів перевищує масу Сонця, під час колапсу ядра матерія стискатиметься далі, а не зупиниться на етапі нейтронної зорі. Який результат? Чорна діра.

Якщо чорна діра належить до подвійної системи, ми можемо виміряти її гравітаційний вплив на видимих компаньйонів, а в деяких рідкісних випадках — навіть визначити її масу. (Про подвійні системи мова піде в наступному розділі).

Замість поверхні в чорної діри є те, що астрономи називають горизонтом подій, — межа в просторі, на якій сила тяжіння така потужна, що з гравітаційного поля не може вирватися навіть електромагнітне випромінювання. Розумію, що це звучить не дуже переконливо, тому спробуйте уявити чорну діру як важку кулю, що лежить посередині гумового листа. Під вагою кулі гума провисає, чи не так? Якщо ви не маєте напохваті листа гуми, візьміть стару панчоху або непотрібні колготи і виріжте з них якомога більший квадрат, поклавши у його центр камінчик. Потім підніміть цей клапоть, тримаючи за краї. Ви одразу побачите лійкоподібну западину, схожу на стовп торнадо. Вітаю: ви створили тривимірну версію того, що відбувається в просторі-часі в чотирьох вимірах. Фізики називають цю западину гравітаційним колодязем, бо він точно імітує вплив тяжіння на простір-час. Якщо ви візьмете важчий камінь, отримаєте глибшу западину, а це вказує на те, що масивніші об’єкти викривлюють простір-час ще більше.

Ми можемо мислити тільки в трьох просторових вимірах, тому нам дуже складно уявити, як масивна зоря створює вирву в чотиривимірному просторі-часі. Сприймати гравітацію як викривлення простору-часу навчив нас Альберт Ейнштейн, перетворивши її на питання геометрії, але не тієї, яку ви вивчали в школі.

Наш експеримент із колготами не ідеальний (упевнений, більшість із вас полегшено зітхне). Цьому є безліч причин, але головна полягає в тому, що неможливо уявити кульку, яка рухається стабільною орбітою навколо утвореного каменем гравітаційного колодязя. Проте в реальному астрономічному житті багато об’єктів мільйони й навіть мільярди років зберігають стабільну орбіту, обертаючись навколо масивних тіл. Місяць обертається навколо Землі, Земля — навколо Сонця, а Сонце і ще 100 мільярдів зір — навколо центра нашої Галактики.

З іншого боку, ця демонстрація допомагає наочно уявити чорну діру. Наприклад, ми бачимо: що масивніший об’єкт, то глибший колодязь і то крутіші його стінки, а отже, щоб вибратися з нього, знадобиться більше енергії. Втрачає енергію навіть електромагнітне випромінювання, коли намагається залишити гравітаційне поле масивної зорі, тобто частота випромінювання зменшується, а хвилі стають довшими. Як ви вже знаєте, зміщення в бік електромагнітного спектра з меншою енергією називають червоним зсувом. У випадку з компактною зорею (масивною і маленькою) відбувається червоний зсув під впливом гравітації, що має назву гравітаційне червоне зміщення (його не слід плутати із червоним зсувом унаслідок ефекту Доплера — див. розділи 2 і 13).

Щоб покинути поверхню планети чи зорі та знову на неї не впасти, потрібно розвинути певну мінімальну швидкість. Це так звана друга космічна швидкість, або швидкість втечі, і для Землі вона становить приблизно 11 кілометрів за секунду. Тому прив’язані до Землі супутники не можуть мати швидкість, що перевищує це значення. Що більша друга космічна швидкість, то більше енергії потрібно, щоб залишити поверхню зорі, тому що вона залежить як від швидкості втечі, так і від маси об’єкта (m), який утікає (потрібна кінетична енергія дорівнює ½mυ2).

Сподіваюсь, ви зможете уявити, що коли гравітаційний колодязь буде дуже-дуже глибокий, то швидкість втечі з його дна може стати більшою за швидкість світла. Оскільки таке неможливо, отже, із цього глибокого гравітаційного колодязя ніщо не вибереться, навіть електромагнітне випромінювання.

Фізик на ім’я Карл Шварцшильд розв’язав рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна й обчислив, яким має бути радіус сфери з певною масою, щоб утворився колодязь, звідки не зможе вирватися навіть світло, — чорна діра. Він відомий як радіус Шварцшильда, і його значення залежить від маси об’єкта. По суті, це радіус того, що ми називаємо горизонтом подій.

Саме рівняння приголомшливо просте, але виконується тільки для чорних дір, що не обертаються (їх часто називають чорними дірами Шварцшильда19). Рівняння містить добре відомі константи, і в результаті ми отримуємо радіус, лише трохи більший за три кілометри в розрахунку на одну масу Сонця. Таким чином, розмір — тобто радіус горизонту подій — чорної діри, скажімо, в 10 разів важчої за Сонце, приблизно дорівнює 30 кілометрів. Також ми можемо обчислити радіус горизонту подій чорної діри з масою Землі — він буде трохи менший за 1 сантиметр. Проте доказів того, що такі чорні діри існують, немає. Отже, якби маса Сонця зосередилася у сфері радіуса приблизно 6 кілометрів, чи було б це схоже на нейтронну зорю? Ні, під впливом гравітаційного притягання такої величезної маси, утиснутої в таку малесеньку сферу, матерія Сонця перетворилася б на чорну діру.

Задовго до Ейнштейна, у 1748 році, англійський філософ і гео­лог Джон Мітчелл показав, що можуть існувати зорі з таким потужним гравітаційним притяганням, що світло не може вирватися звідти. За допомогою простої ньютонівської механіки (будь-хто з моїх першокурсників зробить це за півхвилини) він отримав такий само результат, як і Шварцшильд: якщо маса зорі в N разів більша за масу Сонця, а її радіус менший ніж 3N кілометрів, світло не зможе покинути її. За дивовижним збігом, загальна теорія відносності і простий ньютонівський підхід дають однаковий результат.

У центрі сферичного горизонту подій лежить так звана сингулярність — точка з нульовим об’ємом і нескінченно великою густиною — химерна річ, яка показує розв’язок рівнянь, а не щось, що ми можемо збагнути. Ніхто нічого не знає про сингулярність, попри деякі спроби уявити її. Не існує (поки що) фізичних законів, які могли б описати це поняття.

В інтернеті можна побачити купу анімованих відеороликів, у яких ідеться про чорні діри; більшість прекрасна та зловісна водночас, але майже всі неосяжні і натякають на руйнування в космічних масштабах. Тому коли журналісти почали писати, що найбільший у світі прискорювач частинок, Великий адронний колайдер (ВАК) Європейської організації з ядерних досліджень (CERN), установлений неподалік Женеви, може створити чорну діру, це викликало серйозне занепокоєння в суспільстві, що фізики забавляються майбутнім планети.