Черные дыры — одни из самых загадочных и интересных объектов во Вселенной — они искажают свет и время, ничто не ускользает от их центра, даже гравитационная волна. Сериал « Неискаженная наука» знакомит нас с ними . Гарантом работы над черными дырами является Иржи Свобода из Астрономического института Академии наук Чехии , и мы задали несколько вопросов по этому поводу.
Наука недавно опубликовала исследование астрономов, предсказывающее столкновение двух гигантских черных дыр. На ваш взгляд, какова вероятность того, что событие произойдет и ученые смогут наблюдать его впервые?
По мнению авторов исследования, в галактике на расстоянии 1,2 миллиарда световых лет от нас есть две сверхмассивные черные дыры. В наблюдаемой галактике наблюдается периодическое усиление и затухание излучения. Самое примечательное, что за это время срок сократился с одного года до одного месяца. Это соответствовало бы тому, что это может быть система двух сближающихся черных дыр. Если бы это подтвердилось, ученые ожидали бы столкновения дыр через сто-триста дней. Если бы это было столкновение двух черных дыр, то момент их слияния, вероятно, сопровождался бы большим просветлением. Пока наблюдения говорят о том, что, несмотря на сокращение периода просветления, они ослабевают. Вопрос в том, не противоречит ли это гипотезе столкновения черных дыр.
Каковы альтернативные гипотезы этого явления?
Хотя звезда падает в черную дыру, в этом случае изменение периода яркости происходит не так быстро, как в галактике, где ожидается столкновение. Это могут быть нестабильности в аккреционном диске, диске материи, который коллапсирует в черную дыру. Как вариант, это могут быть явления, близкие к так называемым квазипериодическим извержениям, обнаруженным нами сравнительно недавно. Они вызывают неожиданные просветления, которые повторяются с течением времени. Но, как следует из названия, это не периодическое осветление. Следовательно, закономерное движение двух тел не является объяснением. Однако ни для одного из этих процессов мы не ожидаем, что периодическое поведение со временем уменьшится. Таким образом, хотя мы не можем подтвердить, действительно ли в данном случае происходит столкновение двух сверхмассивных черных дыр, наблюдаемое событие представляется уникальным.
Вызвал ли доклад интерес к галактике, в которой могло произойти столкновение?
Да, запускается больше кампаний по наблюдению. Именно поэтому авторы опубликовали непроверенный отчет. Они хотели вовремя проинформировать научное сообщество, а также побудить коллег сфокусироваться на объекте с помощью различных телескопов и детально изучить его. Дальнейшие наблюдения показывают, насколько уникален этот ресурс и что там происходит. Какие возможности есть у астрономов для наблюдения за такой далекой галактикой?
Авторы исследования изучали вспышки на разных длинах волн как в обычном свете с помощью наземных телескопов, так и в инфракрасном и рентгеновском диапазонах с помощью космических спутников. Рентгеновский спутник SWIFT, который наблюдал за источником через день с конца ноября до конца года, помог уточнить оценку того, когда должно произойти окончательное столкновение. Источник теперь ненаблюдаем для этого спутника, потому что галактика спроецирована на небо относительно близко к Солнцу. Однако другие спутники, менее чувствительные к близости поля зрения к Солнцу, могут взять верх. Однако SWIFT обязательно вернется к объекту — за эти сто-триста дней Земля наткнется на большой кусок на своей орбите вокруг Солнца, и космос снова откроется.
Что можно ожидать, если произойдет столкновение?
Значительное просветление могло происходить во всем электромагнитном спектре, т. е. от радиодиапазона через инфракрасный, видимый ультрафиолет, рентгеновский и до гамма-излучения. Конечно, сами черные дыры не светились бы, но вращающаяся вокруг них масса и большое количество выделяемой энергии непременно отражались бы излучением, ударными волнами, приводящими к вторичному излучению, и тому подобное. Вероятно, это также вызвало бы выброс частиц энергии. Например, проект IceCube в Антарктиде мог обнаружить поток нейтрино. Это энергичные частицы, которые движутся практически со скоростью света, имеют нулевую или очень малую массу и, как следствие, могут быть достаточно ускорены, чтобы прибыть с минимальной задержкой по сравнению с излучением.
Из-за расстояния до галактики столкновение должно было произойти более миллиарда лет назад. Может ли этот факт как-то повлиять на наблюдение?
Это не имеет значения. Мы не можем узнать о столкновении, пока свет не достигнет нас. Даже гравитационные волны не пришли бы раньше, они тоже распространяются со скоростью света. Поэтому мы еще можем сказать, что наблюдали бы такое событие, если бы оно произошло, вживую, а не вспять через миллиард лет.
Что касается будущего исследований сверхмассивных черных дыр, то большие надежды возлагаются на проект LISA — первую запланированную космическую обсерваторию для обнаружения гравитационных волн.
LISA станет лучшим инструментом для наблюдения за столкновениями сверхмассивных черных дыр. Если бы он был у нас сегодня, мы могли бы обнаружить гравитационные волны от вышеупомянутого источника. Земные гравитационные обсерватории не видят таких тяжелых черных дыр. У них короткие руки, и поэтому они улавливают столкновения звездных масс. Только в космосе можно построить детектор, способный наблюдать гравитационные волны от слияния сверхмассивных черных дыр. Мы ожидаем, что LISA обнаружит несколько таких событий. Однако он не будет выпущен до 2034 года.
Достаточно ли у астрономов информации, чтобы подтвердить возможное столкновение без данных обсерватории LISA?
Если бы разъяснений было много, а действительно много, то гипотеза о столкновении двух черных дыр была бы наиболее вероятной из того, что мы знаем. Однако LISA могла однозначно подтвердить это, потому что сигнал гравитационной волны был бы совершенно неопровержимым. Наблюдаемое событие только демонстрирует, насколько полезной будет LISA. Кроме того, мы будем смотреть с ним гораздо дальше и зафиксируем гораздо больше столкновений черных дыр. Таким образом, LISA должна ответить на вопрос, выпадают ли осадки чаще, как предполагают исследования, или же мы увидим только очень редкие явления.
Я предполагаю, что ваше внимание также будет обращено на упомянутую галактику.
Конечно, и поскольку я и мои коллеги являемся частью проектной группы гравитационной обсерватории LISA, мы, конечно, были бы довольны столкновением сверхмассивных черных дыр. Это будет первая ласточка и доказательство того, что нам есть чего ждать от миссии LISA.
Вы изучаете черные дыры пятнадцать лет. Какое из открытий было для вас решающим, очаровало вас?
Такие открытия, безусловно, включают в себя обнаружение гравитационных волн с 2015 года. Я чувствовал, что это был поворотный момент, когда открывалась совершенно новая область астрономии и другие возможности для исследования черных дыр. Первое изображение черной дыры от Мессье 87 на расстоянии 55 миллионов световых лет тоже было для меня фантастическим. Для его получения ученые соединили девять радиотелескопов со всей планеты в единый виртуальный телескоп. Я обрадовался, что получилось что-то действительно уникальное и революционное.
Упомянутый фильм облетел мир в 2019 году. Увидим ли мы когда-нибудь черную дыру из нашей галактики?
Изначально ученые предполагали, что первое изображение удастся сделать в нашей галактике. Но добиться такого контраста, чтобы его силуэт был так отчетливо виден, не удалось. Наша черная дыра неактивна, излучение, исходящее от массы, падающей в черную дыру, относительно слабое, а также очень переменное, что может вызвать снижение контраста, изображение будет размытым. Он также весит около четырех миллионов солнечных масс и лишь немного больше, чем размер нашего Солнца. Напротив, черная дыра в галактике M87 весит шесть миллиардов масс Солнца и по размерам равна всей Солнечной системе. Хотя она намного дальше нашей, ее угловой размер лишь немного меньше углового размера черной дыры в центре нашей галактики. Но я верю, что однажды мы увидим ее контрастный образ. Например, уже рассматривается вопрос об использовании большего количества телескопов и дальнейшем совершенствовании технологии наблюдения.