Черните дупки: как да видим невидимото?

Звездното небе съдържа не само ярки светещи обекти, но и още повече незабележима тъмна материя, включително черни дупки. Какво знаем за тях и какво предстои да научим?

Откъде знаем, че черните дупки съществуват?

Черните дупки са брилянтна илюстрация за нещо, за което мнозина са чували, никой не е виждал и е много трудно да се провери. Ако си представите, че тя се намира във вакуум и масата и не е толкова голяма, тогава няма как да я видите. Черните дупки влияят на пространството около себе си само гравитационно. Ако няма космически тела наблизо, то и нея я няма, затова е и черна дупка. Но в реалното пространство, което е изпълнено с газ, прахови облаци, гореща плазма, ние можем да видим как черната дупка привлича материя. В някои случаи черните дупки могат да се превърнат в едни от най-ярките обекти във Вселената!

Обикновените звездни и двойни звездни системи са приблизително поравно. И ако има черна дупка в двойна звездна система, тогава тази система можем да си я представим като състояща се от двигател и резервоар за гориво. Звездата представлява резервоарът за гориво, а черната дупка постепенно я поглъща. И тъй като това е много дълбок гравитационен кладенец, ако хвърлите нещо там, ще има пляскане, шумно и силно. Ефективността на отделянето на енергия е много висока (15–25% от масата се преобразува в радиационна енергия). Само анихилацията на материята е по-ефективна. Няма друг толкова ефективен двигател! Следователно, с относително малък поток от материя, можете да направите много ярък източник, който да е забележим в различни диапазони.

Черната дупка прилича на неутронна звезда

Ако не беше теорията на Айнщайн, ние едва ли щяхме да се досетим за съществуването на черните дупки. Затова и трябваше да има теория, която да каже, че от определен момент нататък не можете да компенсирате силата на гравитацията по никакъв начин.

Сравнявайки излъчването, което се изпуска от неутронна звезда с това от черна дупка, е много трудно те да бъдат различени. Неутронната звезда има малък размер – около 10 км и представлява същият дълбок гравитационен кладенец. За разлика от черната дупка, тя има повърхност, но в много случаи не може да се открие разликата. Можете да различите неутронната звезда само ако тя има силно магнитно поле – тогава виждаме пулсар. Ако има пулсар, това не е черна дупка. И тогава имаме нужда от теорията на относителността на Айнщайн. Трябва ясно да дефинираме, че масата трябва да бъде например повече от четири слънчеви маси, а това вече е трудно за една неутронна звезда. Тогава говорим за черна дупка.

Черните дупки са най-впечатляващи, когато действат като транзиенти. През повечето време черната дупка не излъчва нищо, тъй като върху тях не попада материя. И изведнъж, по някаква причина, материята започва да попада в тази черна дупка – тогава нейната светимост се увеличава с пет – шест порядъка. Сякаш на повърхността на езерце, където даже вятърът не се чувства, изведнъж израства планина с размерите на Еверест. Това е откритие от 1970-1980-те на рентгеновите нови (звезди), които избухват в небето веднъж или два пъти годишно.

Изображения на черна дупка

Директно учени не са наблюдавали черни дупки, тъй като те са твърде далеч, за да можем да получим изображение. Но за сметка на това можем да получим представа за тях от художествена илюстрация от филма “Интерстелар”, чийто научен консултант беше Кип Торн, който получи Нобелова награда за своите изследвания, свързани с черните дупки. Там авторите се опитаха да покажат, че черната дупка има много силна гравитация.

За да бъде видима черна дупка, към нея трябва да се подаде материя. Какви са стандартните методи за подаване на “гориво” към черна дупка? Ако звезда лети близо, благодарение на ефекта на приливното разрушаване, свръхмасивната черна дупка започва да разкъсва тази звезда, след което постепенно се образува пръстен. За година черна дупка е в състояние да погълне тази звезда и това ще представлява достатъчно ярък небесен обект.

Телескоп за хоризонта на събитията

В периода между 2009 и 2017 г. беше организиран така наречения „Телескоп за хоризонта на събитията“: това бяха няколко радиотелескопа, които са разположени на различни континенти, но работеха синхронно. Заедно те наблюдаваха много ярък обект – черната дупка в звездния куп Дева – и направиха опит да разгледат региона, който беше много близо до хоризонта на събитията. Изображението се роди в резултат на много сложен математически инструментариум и дълго моделиране. Когато имате радиотелескоп и интерференция на вълните, количеството данни е просто ужасяващо голямо.

Оказа се , че получените данни не противоречат на очакванията на учените. Въпреки това редица физици все още имат съмнения. За тази цел се налага да продължат наблюденията на подходящи големи космически обекти, а наблизо те съвсем не са много. Като такива се очертаха два обекта за наблюдение: черната дупка в центъра на нашата галактика и може би най-добрият обект за наблюдение – в галактиката M87. Тяхното наблюдение ще изисква продължителна и упорита работа.

Как черните дупки влияят на далечния космос?

Огромни струи плазма, така наречените джетове, се откъсват от центъра на галактиките със скорост близка до тази на светлинната, и могат да прелетят от десетки до стотици хиляди светлинни години. Те са в състояние както да пречат на образуването на звезди, така и активно да помагат, когато се изключат.

Но нека разгледаме куп галактики. На снимката се вижда второто по големина събитие по производство на енергия след Големия взрив. В съзвездието Змиеносец рентгеновите лъчи показват газ в галактически куп. Когато учените са изследвали извитата му повърхност в радиодиапазона, те са видели много характерни спектри, които е трябвало да останат след джетовете. След като изчислили енергията, те получили чудовищна цифра. И станало ясно, че в миналото там е работила гигантска черна дупка, която е изхвърляла тази голяма струя в продължение на няколкостотин милиона години. Съдейки по всичко тя се е намирала в свръхмасивна галактика и е имало много “гориво” наоколо в тази елипсовидна галактика. Но съществува третият закон на Нютон: ако оказвате натиск върху нещо, то тогава нещо оказва натиск върху вас. И супермасивната черна дупка, почти като ракета, е излетяла от тази галактика. “Горивото” е свършило и джетът е изгаснал. Поведението на различните черни дупки може да бъде различно в зависимост от техните маси.

Как можем да преброим черните дупки?

Ние виждаме активните черни дупки в рентгеновите спектри. Те са примерно около няколко милиарда или няколко десетки милиарда, което всъщност е много малко. Но как се прави това преброяване? Даден много чувствителен телескоп дълго време наблюдава в една посока и брои колко черни дупки е открил, след което това се преизчислява за цялото небе.

Преди това отбелязахме, че за да открием черна дупка, ни е нужно тя да се захранва с някакво друго вещество, но това не винаги е така. Вие можете да я поставите в абсолютен вакуум, но там да има не една черна дупка, а две. Ако те са близо една до друга и се движат в близки орбити, те започват да излъчват гравитационни вълни. В момента, когато те почти се докоснат, амплитудата на вълните става много силна. За щастие астрофизиците се научиха да улавят гравитационните вълни и да ги моделират.

Пред учените предстоят много бъдещи изследвания, които да помогнат за по-дълбокото изучаване на черните дупки. Едно от тях би трябвало да бъде свързано с много точното измерване на рентгеновия фон, който се създава от свръхмасивните черни дупки. Така ще може да се разбере какъв е техният състав, как те са разпределени по маса и по вид, а това ще даде по-пълна представа как функционира Вселената.