Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 20 страниц)

Та чи справді це так? Якби вони дійсно випадково створили чорну діру — чи почала б вона пожирати Землю? Ми можемо це досить просто обчислити. Під час експериментів 30 березня 2010 року зустрічні пучки протонів у ВАК зіштовхувалися з енергією 7 тераелектрон-вольтів (ТеВ), або 7 трильйонів електрон-вольтів, тобто по 3,5 трильйона на кожний пучок. Урешті-решт науковці, які працюють з ВАК, планують досягти енергетичного рівня 14 ТеВ, що виходить далеко за межі сьогоднішніх можливостей. Маса протона приблизно 1,6 · 10−24 грамів. Фізики часто кажуть, що маса протона m приблизно дорівнює 1 мільярд електрон-вольтів, або 1 ГеВ. Звісно, ГеВ — це одиниця енергії, а не маси, але оскільки E = mc2 (де c — швидкість світла), E часто називають «масою». На Массачусетській платній автомагістралі встановлено знаки: «Телефонуй 511 — інформація щодо проїзду». Щоразу, як я їх бачу, згадую про електрони, тому що маса одного електрона 511 кеВ.

Якби всі 14 ТеВ від зіткнення протонів пішли на формування чорної діри, її маса була б у 14 000 разів більша за масу протона, тобто приблизно 2 · 10−20 грамів. Сила-силенна фізиків і спостережних комісій опрацювала гори літератури із цього питання, оприлюднила результати й дійшла висновку, що немає про що хвилюватися. Ви хочете знати чому? Резонно. Що ж, аргументи були такі.

По-перше, сценарії, за якими ВАК вистачить енергії для створення таких крихітних чорних дір (відомих як мікроскопічні чорні діри), спираються на теорію так званих великих додаткових вимірів, що вважається, м’яко кажучи, надто спекулятивною. Ця теорія виходить далеко за межі експериментально підтверджених явищ. Тому можна почати з того, що шанси створити мікроскопічну чорну діру мізерні.

Безумовно, виникали побоювання, що ці мікроскопічні чорні діри якимось чином можуть виявитися стабільними «акреторами» — об’єктами, здатними збирати речовину, втягувати її в себе й рости, — і почнуть поглинати навколишню матерію, а потім врешті-решт і Землю. Але якби стабільні чорні мікродіри існували, то вже були б створені космічними променями надзвичайно високих енергій (а вони існують), які врізаються в нейтронні зорі та білі карлики, де вони і поселилися б. Але білі карлики й нейтронні зорі, судячи з усього, залишаються незмінними сотні мільйонів, якщо не мільярдів років, тому навряд чи вони мають крихітні чорні діри, які пожирають їх ізсередини. Інакше кажучи, стабільні мікроскопічні чорні діри, схоже, не несуть жодної загрози.

З іншого боку, без теорії додаткових вимірів навіть саме існування чорних дір, маса яких менше ніж 2 · 10−5 грамів (її називають планківською масою), неможливе. Тобто в нас ще немає фізики, яку можна було б застосувати до чорних дір такої малої маси. Нам знадобиться теорія квантової гравітації, якої не існує. Тому запитання про те, яким буде радіус Шварцшильда для чорної діри масою 2 · 10−20 грамів, також позбавлене сенсу.

Як показав Стівен Гокінґ, чорні діри можуть випаровуватися: що менша їхня маса — то швидше. Чорна діра, маса якої в 30 разів більша за масу Сонця, випарується приблизно за 1071 років. Надмасивна чорна діра, у мільярд разів важча за Сонце, проіснує 1093 років. Можливо, тепер вам цікаво, за скільки часу випарується мікроскопічна чорна діра масою 2 · 10−20 грамів? Це чудове запитання, але відповіді не знає ніхто: теорію Гокінґа не можна застосувати до чорних дір, маса яких менша за планківську. Але щоб угамувати вашу цікавість, скажу, що чорна діра масою 2 · 10−20 грамів прожила б лише 10−39 секунд. Схоже, вони випаровуються швидше, ніж утворюються. Одне слово, вони навіть не встигають утворитися.

Нам явно не варто перейматися через мікроскопічні чорні діри масою 2 · 10−20 грамів, що можуть утворитися у ВАК.

Я розумію, що це не завадило людям позиватися до суду, домагаючись відмови від запуску колайдера. Проте мене непокоїть величезна прірва між ученими й рештою людства, а також те, як паршиво в нас виходить пояснювати, чим ми займаємось. Навіть незважаючи на те, що деякі найкращі фізики у світі дослідили це питання й пояснили, чому колайдер не становить жодної загрози, журналісти й політики вигадують сценарії розвитку подій та розкочегарюють страхи в суспільстві на порожньому місці. На ­якомусь рівні наукова фантастика видається сильнішою за науку.

Мабуть, немає нічого дивнішого за чорну діру. Нейтронна зоря принаймні заявляє про себе своєю поверхнею. Вона ніби каже: «Я тут і можу показати вам свою поверхню». У чорної діри немає поверхні, і вона взагалі нічого не випромінює (крім досі не виявленого випромінювання Гокінґа).

Чому деякі чорні діри, оточені сплющеним кільцем речовини, відомим як акреційний диск (див. наступний розділ), випускають надзвичайно високоенергетичні потоки частинок перпендикулярно до площини акреційного диска, хоча не зсередини горизонту подій20 — досі одна з найвеличніших нерозгаданих таємниць. Подивіться на цей знімок: wired.com/wiredscience/2009/01/spectacular-new.

Дізнатися щось про нутро чорної діри, всередині горизонту подій, ми можемо тільки математичними методами. Оскільки ніщо не може вийти назовні, ми не отримуємо жодної інформації про «інтер’єр» чорної діри — деякі фізики з гумором називають це «космічною цензурою». Чорна діра ховається у власній печері. Тільки-но ви перекинетеся через горизонт подій, як ніколи не зможете вибратися звідти — навіть не надішлете сигнал. Якщо це буде надмасивна чорна діра, ви цього навіть не помітите. Там немає рівчака, стіни чи виступу, через які потрібно переступити. Коли ви перетнете горизонт, навколо вас не відбудеться жодних різких змін. Попри всю релятивістську фізику, якби ви поглянули на годинник, не побачили б, що він зупинився або став іти швидше чи повільніше.

Для віддаленого спостерігача все виглядатиме зовсім по-іншому. Він бачить не вас. Його очі сприймають ваше зображення, яке доносить світло, що відбивається від вашого тіла й виривається із гравітаційного колодязя чорної діри. З наближенням до горизонту подій колодязь дедалі глибшає. Світлу доводиться витрачати більше енергії, щоб виринути з колодязя, і воно зазнає дедалі більшого гравітаційного червоного зміщення. Усе електромагнітне випромінювання зміщується в бік довших хвиль (нижчих частот). Ваше зображення ставатиме дедалі червонішим, а потім ви зникнете, тому що випромінювання від вас зміститься до довших хвиль, в інфрачервону частину спектра, а згодом — до чимраз довших радіохвиль, і щойно ви перетнете горизонт подій, довжина хвиль стане нескінченністю. Тому для віддаленого ­спостерігача ви фактично зникнете ще до того, як перетнете межу.

Також віддалений спостерігач виявить дещо дуже непередбачуване: світло, що надходить із простору навколо чорної діри, рухається повільніше. Так от, це зовсім не суперечить теорії відносності: для спостерігача біля чорної діри світло досі рухатиметься з тією самою швидкістю c (приблизно 300 000 кілометрів за секунду). Але для віддаленого спостерігача швидкість світла буде менша за c. Ваше зображення, створене світлом, яке ви відбиваєте, доходитиме до спостерігача повільніше, ніж якби ви були не поблизу чорної діри. Це призведе до дуже цікавого ефекту: спостерігач бачить, що коли ви наближаєтеся до горизонту подій, то уповільнюєтеся! Світло від вас надходитиме до нього з дедалі більшими інтервалами, тому здаватиметься, наче ви рухаєтеся в уповільненому темпі. Для спостерігача на Землі ваша швидкість, ваші рухи, ваш годинник, і навіть пульс уповільнюватимуться з вашим наближенням до горизонту подій і повністю зупиняться в той момент, коли ви його досягаєте. Якби світло від вас біля горизонту подій не ставало невидимим через гравітаційне червоне зміщення, для спостерігача ваше зображення «застигло» б навіки на поверхні горизонту подій.

Для простоти я знехтував ефектом Доплера, який буде величезним, тому що ваша швидкість постійно зростатиме. По суті, ви перетинатимете горизонт подій зі швидкістю світла. (Для спостерігача на Землі ефект Доплера буде схожий на ефект гравітаційного червоного зміщення).

Перетнувши горизонт подій, ви вже не зможете спілкуватися із зовнішнім світом, але зможете спостерігати за ним. Унаслідок гравітаційного зміщення світло ззовні матиме вищу частоту й меншу довжину хвилі, тому ви бачитимете Всесвіт у фіолетовому зміщенні. (Із цієї ж причини те саме сталось би, якби ви змог­ли стояти на поверхні нейтронної зорі). Але оскільки ви падаєте з величезною швидкістю, зовнішній світ віддалятиметься від вас, і світло від нього матиме червоний зсув (через ефект Доплера). Отже, який буде результат? Що переможе — фіолетове зміщення чи червоний зсув? Чи не переможе жодне?

Я запитав про це в Ендрю Гемілтона з Університету Колорадо (JILA), одного з найкращих у світі знавців чорних дір, і, як я й очікував, відповідь не така проста. Для тіла у стані вільного падіння червоне й фіолетове зміщення більш-менш нейтралізують одне одного, але зовнішній світ згори і знизу матиме червоне зміщення, а в горизонтальному напрямку — фіолетове. (Можливо, вам сподобаються його фільми із циклу «Подорож у чорну діру Шварцшильда» (Journey into a Schwarzschild black hole), що розповідають, як це — бути тілом, що падає в чорну діру: jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/schw.html).

Утім вам не буде де стати, тому що там немає поверхні. Уся речовина, з якої створено чорну діру, стиснулася до розмірів точки, до сингулярності. А як щодо припливних сил? Чи не розірвало б вас на шматочки через те, що на вашу голову й пальці ніг діятиме різна гравітаційна сила? (Такий само ефект спостерігається на Землі: на бік, повернутий до Місяця, впливає більша сила тяжіння, ніж на протилежний бік; цим пояснюються припливи й відпливи).

Саме так, вас пошматувало б. Чорна діра Шварцшильда, втричі важча за Сонце, розірвала б вас за 0,15 секунди до того, як ви перетнете горизонт подій. Це явище має дуже колоритну назву — спагетіфікація; воно передбачає розтягування тіла до немислимих меж. Щойно ви перетнете горизонт подій, різні частини вашого тіла досягнуть точки сингулярності приблизно за 0,00001 секунди, і вас зіжмакає в точку нескінченної густини. А якщо чорна діра в 4 мільйони разів важча за Сонце, на зразок тієї, що розташована в центрі нашої Галактики, ви перетнете горизонт подій без жодних проблем, принаймні спочатку, але рано чи пізно вас порве на спагеті. (Повірте, станеться це радше «рано», тому що у вас до цього залишатиметься лише приблизно 13 секунд, а потім, за 0,15 секунди, ви досягнете сингулярності).

Як саме явище чорні діри здаються чудними будь-кому, а особ­ливо астрофізикам, які їх досліджують (зокрема, мої колишні аспіранти Джеффрі Макклінток і Джон Міллер). Нам відомо, що існують чорні діри з масою зорі. Їх відкрили в 1971 році, коли оптичні астрономи показали, що Лебідь Х-1 — подвійна система, а одна з двох зір — чорна діра! Про це я розповім у наступному розділі. Готові?

19 У чорних дір, що обертаються, горизонт подій не сферичний, а сплюснутий — ширший біля екватора.

20 У 2019 році було одержано перше в історії зображення горизонту подій — видимої межі чорної діри в сузір'ї Діви, віддаленої від нас більше ніж на 50 мільйонів світлових років. Її маса перевищує масу Сонця в 6,5 мільярда разів, а діаметр горизонту подій становить 20 мільярдів кілометрів, що більше ніж утричі перевищує відстань від Сонця до Плутона. — Прим. наук. ред.

Розділ 13

Небесний балет

Вас уже не здивує той факт, що більшість зір, які ви бачите на небі в будь-який телескоп чи без нього, — не просто віддалені версії добре знайомого нам Сонця. Вони значно складніші. Можливо, ви не знали, що приблизно третина того, що ви спостерігаєте, навіть не поодинокі зорі, а так звані подвійні системи — пов’язані силами тяжіння пари зір, що обертаються одна навколо одної. Інакше кажучи, коли ви дивитеся на нічне небо, приблизно третина зір, які ви бачите, подвійні, навіть якщо зовні вони схожі на поодиноку зорю. Існують навіть потрійні зоряні системи, в яких три зорі обертаються одна навколо одної, хоча їх набагато менше. Багато яскравих рентгенівських джерел у нашій Галактиці виявилися подвійними зорями, тому я часто мав з ними справу. Вони дивовижні.

Обидві зорі, що входять до подвійної системи, обертаються навколо так званого центра мас системи — точки, розташованої між ними. Якщо зорі мають однакову масу, то цей центр перебуватиме на однаковій відстані від центра обох, а якщо маса різна — ближче до масивнішої зорі. Оскільки обидві зорі здійснюють повний оберт за однаковий час, у більш масивної зорі повинна бути нижча орбітальна швидкість.

Щоб унаочнити цей принцип, уявіть гриф гантелі з дисками однакової маси, що обертаються навколо своєї середньої точки. А тепер уявіть гантель, у якої на одному кінці один кілограм, а на другому — п’ять. Центр мас цієї гантелі буде ближче до важчого кінця, тому коли вона обертатиметься, у важчого диска буде менша орбіта, а легшому за той самий час доведеться пройти більшу відстань. Якщо замість дисків уявити зорі, ви побачите, що легша зоря мчатиме орбітою в п’ять разів швидше за свою громіздкішу компаньйонку.

Якщо одна із зір значно масивніша за другу, центр мас системи може навіть лежати всередині масивнішої зорі. У випадку Землі й Місяця (які теж утворюють подвійну систему) центр мас розташований у надрах Землі на глибині приблизно 1600 кілометрів. (Я згадую про це в додатку 2).

Сіріус, найяскравіша зоря на небі (віддалена приблизно на 8,6 світлового року), також є подвійною системою, що складається із двох зір, відомих як Сіріус А і Сіріус В. Вони роблять повний оберт навколо спільного центра мас приблизно за 50 років (це їхній період обертання).

Як розпізнати подвійну зорю? Побачити її нарізно неозброєним оком неможливо. Утім залежно від відстані до подвійної зорі й потужності використовуваних телескопів, часом ми можемо одержати візуальне підтвердження, побачивши дві зорі окремо.

Відомий німецький математик і астроном Фрідріх Вільгельм Бессель передбачив, що найяскравіша зоря на небі, Сіріус, є подвійною і складається з видимої та невидимої зір. Такого виснов­ку він дійшов, спираючись на свої точні астрономічні спостереження: у 1838 році Бессель першим виміряв паралакс зорі (трохи випередивши Гендерсона — див. розділ 2). У 1844 році у знаменитому листі Александру фон Гумбольдту він писав: «Я дотримуюся переконання, що зоря Сіріус — подвійна система, що складається з видимої та невидимої зір. Немає причин вважати, що світність є невід’ємною ознакою космічних тіл. Видимість незліченної кількості зір не виключає невидимості безлічі інших». Це надзвичайно глибока думка. Зазвичай ми не віримо в існування того, чого не бачимо. Бессель започаткував так звану астрономію невидимого.

«Невидиму» зорю-компаньйона (Сіріус В) по-справжньому побачили тільки в 1862 році, коли в моєму рідному місті Кембридж (штат Массачусетс) Алван Кларк випробовував новісінький 18,5-дюймовий телескоп (це був найбільший на той час телескоп, виготовлений компанією його батька). Щоб протестувати телескоп, він спрямував його на Сіріус, який сходив над обрисами Бостона, і виявив Сіріус В, який у 10 000 разів тьмяніший, ніж Сіріус А.

Хвала небесам за астроспектроскопію: фіолетове і червоне зміщення

Щоб визначити, чи входять зорі до подвійної системи, особливо якщо вони віддалені, найчастіше застосовують спектроскопію та вимірюють зміщення, що виникає в результаті так званого ефекту Доплера. Спектроскопія чи не найпотужніший інструмент астрофізики, а ефект Доплера — одне з найважливіших астрономічних відкриттів за останні кілька століть.

Ви вже знаєте, що об’єкти з достатньо високою температурою випромінюють видиме світло (випромінювання чорного тіла). Розкладаючи сонячне світло, дощові краплі, що утворюють веселку (див. розділ 5), демонструють неперервну послідовність кольорів від червоного до фіолетового, яку називають спектром. Якщо розкласти світло від зорі, ми також побачимо спектр, але його кольори не завжди матимуть однакову інтенсивність. Прохолодніша зоря, наприклад, буде червонішою (і її спектр також). Температура Бетельгейзе (в сузір’ї Оріона) лише 2000 кельвінів. Це одна з найчервоніших зір на небі. З іншого боку, Беллатрікс, також у сузір’ї Оріона, має температуру 28 000 кельвінів. Це одна з найбільш блакитних і найяскравіших зір, яку часто називають «Зірка амазонок».

Якщо уважно придивитися до зоряних спектрів, можна побачити вузькі проміжки, на яких кольори слабкі або взагалі відсутні. Це лінії поглинання. У спектрі Сонця таких ліній тисячі. Вони з’являються через те, що в атмосфері зір присутні багато різних елементів. Атоми, як ви знаєте, складаються з ядра й електронів. Електрони не можуть мати якусь довільну кількість енергії. Вони перебувають на енергетичних рівнях з певними дискретними значеннями — їхня енергія не може бути проміжною на цих визначених рівнях. Інакше кажучи, їхня енергія «квантована» — це поняття дає початок квантовій механіці.

Атом нейтрального водню має один електрон. Якщо опромінювати його світлом, цей електрон може перестрибнути на вищий енергетичний рівень, поглинувши енергію світлового фотона. Але через дискретність енергетичних рівнів електрона станеться це не з будь-якими фотонами, а лише з тими, що мають конкретну енергію (а отже, конкретну частоту і довжину хвилі), що дозволить електрону здійснити квантовий стрибок з одного рівня на інший. Цей процес, що називають резонансним поглинанням, знищує фотони, і тому їхні частоти відсутні в неперервному спектрі. Такі пропуски називають лініями поглинання.

Водень може створити у видимій частині зоряного спектра чотири лінії поглинання (на точно відомих довжинах хвилі, тобто кольорах). Більшість елементів утворює значно більше ліній, тому що їхні атоми містять набагато більше електронів. По суті, кожному елементу властиве унікальне поєднання ліній поглинання, за яким їх можна ідентифікувати. Вони дуже добре вивчені й виміряні в лабораторіях. Отже, ретельно дослідивши лінії поглинання в зоряних спектрах, ми можемо визначити, які елементи є в атмосфері зорі.

Утім, коли зоря рухається від нас, унаслідок ефекту Доплера весь її спектр (включно з лініями поглинання) зміщується в червоний бік (це так званий червоний зсув). Якщо спектр, навпаки, зміщується у фіолетовий бік, то зоря рухається до нас. Точно вимірявши, наскільки змістилися лінії поглинання, ми можемо обчислити швидкість зорі відносно Землі.

Якщо ми спостерігаємо, наприклад, подвійну систему, кожна зоря буде половину орбіти рухатися до нас, а другу половину — від нас. З її зорею-компаньйоном усе буде точнісінько навпаки. Якщо обидві зорі досить яскраві, ми побачимо в спектрі червоне і блакитне зміщення ліній поглинання. Це означатиме, що перед нами подвійна зоря. Але лінії поглинання зміщуватимуться в спектрі внаслідок руху зорі вздовж орбіти. Наприклад, якщо період обертання зорі становить двадцять років, кожна лінія поглинання пройде повний шлях за цей термін (десять років спостерігатиметься червоне зміщення, і ще десять — фіолетове).

Якщо ми бачимо тільки червоне (або тільки фіолетове) зміщення ліній спектра, то все одно можемо зробити висновок, що це подвійна зоря, якщо лінії рухаються то в один, то в інший бік. Час, за який лінії проходять повний цикл, буде періодом обертання зорі. Коли таке відбувається? У випадку, якщо одна зоря занадто тьмяна, щоб її можна було побачити із Землі у видимих променях.

А тепер повернімося до наших рентгенівських джерел.

Шкловський і не тільки

У далекому 1967 році радянський фізик Йосип Шкловський запропонував модель для джерела Скорпіон Х-1. «За всіма характеристиками, ця модель відповідає нейтронній зорі в стані акреції. [...] Природна й дуже ефективна подача речовини для такої акреції відбувається за рахунок потоку газу, що перетікає від вторинного компонента тісної подвійної системи до первинного, який є нейтронною зорею».

Розумію, що ці рядки, можливо, не приголомшать вас. Цьому не сприяє і те, що сформульовані вони досить сухою технічною мовою астрофізики. Але саме так розмовляють між собою фахівці практично в будь-якій сфері. Моя мета на лекціях і головна причина, чому я написав цю книжку, — перекласти справді приголомшливі, новаторські, а часом навіть революційні відкриття моїх колег-фізиків такою мовою, яку зможуть збагнути розумні й допитливі аматори, тобто збудувати міст між світом науковців і вашим світом. Здається, багато хто з нас надає перевагу тому, щоб говорити тільки з колегами, і тому більшості людей — навіть тим, хто дуже хоче зрозуміти науку, — надзвичайно складно потрапити в наш світ.

Отже, візьмімо ідею Шкловського й погляньмо, що він запропонував: подвійна зоряна система, що складається з нейтронної зорі та зорі-компаньйона, речовина з якої перетікає на нейтронну зорю. У такому разі нейтронна зоря буде «в стані акреції». Інакше кажучи, вона прирощуватиме речовину від компаньйона — зорі-донора. Дивна ідея, еге ж?

Як виявилося, Шкловський мав рацію. Але ось що цікаво: він говорив тільки про Скорпіон Х-1, і більшість з нас не надто серйозно сприйняла його ідею. Але таке часто стається з теоріями. Я не думаю, що ображу своїх колег-теоретиків, якщо скажу, що в астрофізиці переважна кількість теоретичних припущень виявляються помилковими. Тому ті, хто працює в царині спостережної астрофізики, зазвичай не звертають на них особливої уваги.

Виявляється, що акреціювальні нейтронні зорі створюють ідеальні умови для виникнення рентгенівських променів. А як ми з’ясували, що Шкловський не помилявся?

Тільки на початку 1970-х астрономи визнали подвійну природу деяких рентгенівських джерел , але це не означало, що всі вони були акреціювальними нейтронними зорями. Першим свої таємниці відкрило джерело Лебідь Х-1, і воно виявилося одним з найважливіших у рентгенівській астрономії. Відкрили його під час польоту ракети в 1964 році. Це надзвичайно яскраве й потужне джерело випромінювання і досі привертає увагу рентгенівських астрономів.

Потім, у 1971 році, радіоастрономи зафіксували радіохвилі від Лебідь Х-1. Їхні радіотелескопи визначили розташування джерела в межах ділянки неба (квадрата похибки) площею приблизно 350 квадратних кутових секунд, що в 20 разів менше, ніж квадрат похибки, який отримують, відстежуючи рентгенівське випромінювання. Астрономи почали шукати його оптичний відповідник. Інакше кажучи, вони хотіли побачити у видимому світлі зорю, яка створювала ці загадкові рентгенівські промені.

У межі квадрата похибки потрапив дуже яскравий блакитний надгігант, відомий як HDE 226868. З огляду на те, що це була зоря, астрономи могли порівняти її з іншими дуже схожими зорями й досить точно обчислити масу. П’ять астрономів, зокрема і все­світньо відомий Алан Сендидж, дійшли висновку, що HDE 226868 просто «звичайний надгігант класу B0, без якихось особливостей», відкинувши припущення, що це оптичний відповідник джерела Лебідь Х-1. Утім інші (на той час не такі відомі) оптичні астрономи дослідили зорю ретельніше і зробили кілька надзвичайно важливих відкриттів.

Вони виявили, що ця зоря входить до подвійної системи з періодом обертання 5,6 дня. Сильний потік рентгенівського випромінювання від цієї подвійної системи, як вони правильно визначили, зумовлений акрецією газу від оптичної зорі (донора) на дуже малий — компактний — об’єкт. Тільки перетікання газу на масивний, але дуже маленький об’єкт могло пояснити щедрий потік випромінювання.

Вони виміряли зміщення ліній поглинання в спектрі зорі-донора під час її руху вздовж орбіти (пригадуєте: коли вона рухається до Землі, лінії спектра зміщуються у фіолетовий бік, а коли від Землі — у червоний) і дійшли висновку, що зоря-компаньйон, джерело рентгенівського випромінювання, занадто масивна, щоб бути нейтронною зорею або білим карликом (інший тип компакт­ної, дуже щільної зорі, схожої на Сіріус В). Ну, якщо це ні те ні інше і щось навіть масивніше за нейтронну зорю, що ж це могло бути? Звісно, чорна діра! Саме це вони і припустили.

Утім, будучи вченими-спостерігачами, вони сформулювали свої висновки обережніше. Луїза Вебстер і Пол Мердін, чий звіт було опубліковано в журналі Nature від 7 січня 1972 року, висловилися так: «Оскільки маса зорі-компаньйона, очевидно, більше ніж дві маси Сонця, отже, ми припускаємо, що цей об’єкт може бути чорною дірою». А ось що написав Том Болтон за місяць у Nature: «Це дозволяє говорити про реальну можливість того, що вторинний компонент [акретор] — чорна діра». У вклейці ви можете побачити художнє зображення джерела Лебідь Х-1.

Таким чином, три чудові астрономи — Вебстер і Мердін із Великої Британії та Болтон із Торонто — спільно відкрили рентгенівські подвійні зорі та знайшли першу чорну діру в нашій Галактиці. (Болтон так цим пишався, що кілька років їздив на машині з номерним знаком Cyg X-121).

Мені завжди видавалося дивним, що їм не присудили жодної важливої премії за це феноменальне відкриття. Урешті-решт, вони поцілили в яблучко, і були першими! Вони заскочили першу рентгенівську подвійну зорю. І заявили, що акретором може бути чорна діра. Чудова робота!

У 1975 році не хто інший, як сам Стівен Гокінґ, побився об заклад із другом, фізиком-теоретиком Кіпом Торном, що Лебідь Х-1 — ніяка не чорна діра, хоча більшість астрономів на той час вважали саме так. Через 15 років Гокінґ визнав, що програв парі, думаю, із превеликим задоволенням, бо більшість його досліджень були пов’язані із чорними дірами. За останніми й найточнішими даними, маса чорної діри в Лебідь Х-1 приблизно становить 15 мас Сонця (мені це відомо із приватної розмови з Джеррі Оросом і моїм колишнім студентом Джеффом Макклінтоком).

Уважні читачі вже, напевно, подумали: «Стривайте-но! Щойно ви сказали, що чорні діри нічого не випромінюють і ніщо не може вирватися з їхнього гравітаційного поля. Як вони можуть бути джерелами рентгенівських променів?». Чудове запитання, на яке я обіцяю відповісти, але спершу анонс: рентгенівські промені виходять не із простору, обмеженого горизонтом подій, — їх випромінює речовина, що падає в чорну діру. Хоча чорна діра пояснювала те, що ми бачили, спостерігаючи за джерелом Лебідь Х-1, вона не могла пояснити особливостей рентгенівського випромінювання від інших подвійних зір. Для цього були потрібні нейтронні зорі, які виявили за допомогою чудового супутника «Ухуру» (Uhuru).

У грудні 1970 року на орбіту вийшов перший супутник, призначений тільки для спостереження за рентгенівським випромінюванням. Запустили його з полігону в Кенії в сьому річницю її незалежності, і назвали «Ухуру», що мовою суахілі означає «свобода».

«Ухуру» став початком революції, що триває й досі. Подумайте, які можливості дає супутник: спостереження 365 днів на рік, 24 години на добу, без жодних атмосферних перешкод! «Ухуру» міг здійснювати такі спостереження, про які ми півтора десятка років тому могли лише мріяти. Трохи більше ніж за два роки супутник обстежив небо за допомогою лічильників, здатних уловлювати джерела, в 500 разів слабкіші за Крабоподібну туманність і в 10 000 разів — за Скорпіон Х-1. Він виявив 339 джерел (ми до того відкрили лише кілька десятків) і дозволив скласти першу пов­ну карту неба в рентгенівському спектрі.

Нарешті звільнивши нас від пут атмосфери, орбітальні обсерваторії геть змінили наше уявлення про Всесвіт, бо ми навчилися бачити глибокий космос з усіма його дивовижними об’єктами в усіх частинах електромагнітного спектра. Космічний телескоп «Габбл» розширив наші уявлення про оптичний всесвіт, тоді як низка рентгенівських обсерваторій — про всесвіт у рентгенівських променях. А зараз гамма-обсерваторії досліджують всесвіт на ще вищих енергетичних рівнях.

У 1971 році «Ухуру» виявив пульсації джерела Кентавр Х-3 (у ­су­зір’ї Кентавра) з періодом 4,84 секунди. У межах одного дня супутник спостерігав, як інтенсивність рентгенівського випромінювання змінилася в 10 разів приблизно за годину. Період пульсацій спершу скоротився, а потім зріс приблизно на 0,02 і 0,04 відсотка, і кожна зміна періоду відбувалася приблизно за годину. Усе це було надзвичайно захопливо, але водночас неабияк спантеличувало. Пульсації не могли виникати через обертання нейтронної зорі; їхній період стабільний. Жоден з відомих пульсарів не міг за годину змінити період обертання на 0,04 відсотка.

Пазл було складено, коли пізніше група, яка аналізувала дані з «Ухуру», виявила, що Кентавр Х-3 — це подвійна зоря з періодом обертання 2,09 дня. Пульсації з періодом 4,84 секунди — наслідок обертання нейтронної зорі, на яку відбувається акреція. Докази були незаперечними. По-перше, дослідники чітко побачили повторювані затемнення (кожні 2,09 дня), коли нейтронна зоря ховалася за зорею-донором, яка блокувала рентгенівські промені. І по-друге, їм вдалося виміряти зміну періоду пульсації внаслідок ефекту Доплера. Коли нейтронна зоря наближається до нас, пе­ріод пульсації трохи коротший, а коли віддаляється — трохи довший. Ці неймовірні результати було опубліковано в березні 1972 року. Вони стали логічним поясненням незрозумілих явищ, описаних у звіті 1971 року. Це точно повторювало модель, яку Шкловський запропонував для джерела Скорпіон Х-1: подвійна система, що складається із зорі-донора й акреціювальної нейтронної зорі.

Пізніше того самого року група Джакконі виявила ще одне джерело з пульсаціями і затемненнями — Геркулес Х-1. Ще одна рентгенівська подвійна система з нейтронною зорею!

Це були просто приголомшливі відкриття, які докорінно змінили рентгенівську астрономію і визначили напрямок досліджень на кілька наступних десятиліть. Рентгенівські подвійні зорі дуже рідкісні: можливо, лише одна зі ста мільйонів подвійних зір у нашій Галактиці є рентгенівською подвійною. А проте зараз ми знаємо, що наша Галактика налічує кілька сотень рентгенівських подвійних зір. У більшості випадків компактний об’єкт (акретор) — білий карлик або нейтронна зоря, але також відомі принаймні два десятки систем, у яких акретором є чорна діра.

Пам’ятаєте змінність густини потоку випромінювання з періодом 2,3 хвилини, які виявила моя група в 1970 році (до запуску «Ухуру»)? Тоді ми не мали жодного уявлення, що означають ці зміни. Що ж, тепер нам відомо, що GX 1+4 — це рентгенівська подвійна система з періодом обертання майже 304 дні, а акреціювальна нейтронна зоря обертається з періодом приблизно 2,3 хвилини.