Чорна діра — це об’єкт, який не випромінює світла. Тому побачити її з великої дистанції просто неможливо. То як же вченим вдається дізнатися, що десь розташований подібний об’єкт?
Невидима чорна діра
Якщо спитати у пересічної людини, який небесний об’єкт є найтаємничішим, то з великою імовірністю можна отримати відповідь «чорна діра». Ці об’єкти відомі навіть тим, хто ніколи астрономією не цікавився і причина цього — їхня таємничість.
Концепція об’єкта, маса якого настільки велика, що навіть світло не може покинути його, народилася ще у XVIII столітті. На початку XX стало зрозуміло, що однієї маси мало, вона ще й має бути вміщена у певний об’єм. Виникло саме поняття «чорна діра», минали десятиліття, про чорні діри писали статті, але самих їх ніхто не бачив.
Для того, аби зрозуміти, чому, треба чітко уявляти, що вони собою являють. Чорнота, знайома нам зі звичайного життя, не йде в жодне порівняння з тим, який вигляд має цей об’єкт, бо якщо ми візьмемо гаманець із чорної шкіри, екран вимкненого смартфона чи темні окуляри — їхня поверхня все одно відбиватиме частину світла. І цього ніколи не відбувається з чорними дірами, які все світло поглинають.
Для того, аби їх уявити, треба скоріше згадати ніч десь за межами великого міста, коли немає повні. Та й то світло зір буде якось освітлювати поверхню нашої планети. Часто на анімаціях чорну діру можна побачити як абсолютно темне тіло, що рухається на тлі зір. І це справді могло б бути правдою, якби забути, що переважна більшість таких об’єктів має бути лише 20–30 км у діаметрі. Тож для того, аби побачити таку красиву картинку, треба знаходитися зовсім неподалік від них. Вже з відстані у десятки мільйонів кілометрів, не кажучи вже про тисячі світлових років, побачити, як за шматком темряви зникають зорі, вкрай важко. То як же вченим вдається виявляти їх?
Типи чорних дір
Перш ніж відповісти на це питання, треба згадати, що загалом чорні діри можуть бути практично будь-якої маси, й залежно від цього ситуація з їхнім виявленням може бути різною.
Зазвичай кажуть, що ці об’єкти не можуть мати масу меншу, ніж кілька сонячних. Однак це підтверджено тільки для тих з них, що утворюються внаслідок еволюції зір у теперішній час. На початку існування Всесвіту внаслідок коливань самого простору-часу вони цілком могли утворюватися хоч із масою протона.
Ці чорні діри називаються первинними, сама можливість їхнього існування не визнається багатьма науковцями. Крім того, через явище, яке називається випромінюванням Гокінга, найменші з них давно вже мали б випаруватися. Тож серйозно їх ніхто не шукає.
На іншому кінці спектра перебувають надмасивні чорні діри, й це єдині представники цього класу об’єктів, в реальності яких ніхто зараз не сумнівається. Науковці точно знають, що шукати їх треба в центрах галактик, і присутність їх там добре видно завдяки тому, що вони активно взаємодіють із речовиною, примушують зорі обертатися з великою швидкістю, а частина притягнутої ними маси іноді викидається у простір у вигляді гігантських джетів. Таке явище ми називаємо квазаром, і його видно через весь Всесвіт.
Є ще чорні діри проміжної маси. Принаймні мають бути, адже якимось чином об’єкти, що утворилися внаслідок спалахів наднових, мають перетворюватися на своїх надмасивних родичів. Щоправда, вони настільки невловні, що вчені досі мають лише кілька кандидатів на їхню роль.
Нарешті, залишаються чорні діри зоряної маси. Саме їх переважно мають на увазі ті дослідники, які повідомляють про нові сенсаційні відкриття у нашій Галактиці. Тож як вдається знайти абсолютно чорний об’єкт діаметром не більше тридцяти кілометрів, який розташований на відстані сотень і тисяч світлових років від нас?
Чорні діри у подвійних системах
Більшість чорних дір зоряної маси, в існуванні яких вчені більш-менш впевнені, перебувають у кратних зоряних системах. Зазвичай вони є подвійними, але відомо також кілька, до складу яких входять три об’єкти, один з яких є чорною дірою.
У цьому випадку найпростіше виявити чорну діру за її гравітаційною взаємодією з компаньйоном. Річ у тім, що ці об’єкти зазвичай достатньо масивні навіть за космічними мірками: від 5 до 30 мас Сонця, а то і більше. Переважна кількість зір легше, а обертаються об’єкти навколо спільного центру мас. Сучасне астрономічне обладнання, зокрема космічний телескоп Gaia, дозволяє отримати астрометричні дані безпрецедентної точності, викриваючи навіть крихітні коливання зорі навколо рівноважної точки. Таким чином, вивчаючи ледь помітний рух зорі, вчені можуть виявити її невидимий компаньйон — чорну діру.
Ще цікавішою є ситуація, коли чорна діра та зоря-компаньйон обертаються одна навколо іншої на близькій відстані. У цьому випадку друга заповнює свою порожнину Роша, а крихітна і майже невидима, але при цьому значно масивніша перша відтягує на себе речовину з її поверхні. Та починає обертатися навколо неї й формує акреційний диск.
І ось цей диск стає джерелом інтенсивного випромінювання. Частина його припадає на видимий діапазон, але максимум зазвичай приходиться на рентгенівський.
Власне, саме так себе видала перша відома вченим чорна діра. Спочатку її відкрили саме як джерело рентгенівського випромінювання — Лебідь Х-1. І це саме щодо нього свого часу Кіп Торн та Стівен Гокінг укладали парі на підписку на еротичні журнали щодо того, чи вдасться довести, що це — чорна діра, чи ні. Зрештою Торн переміг, і природа цього об’єкта була підтверджена.
Чорні діри, що входять до складу подвійних систем, можуть поводитися неспокійно. Час від часу в акреційних дисках деяких із них відбуваються потужні термоядерні вибухи, які особливо яскраві саме у високочастотному діапазоні. Їх називають рентгенівськими новими.
Загалом пари космічних об’єктів, які є активними у рентгенівському діапазоні, називаються рентгенівськими подвійними. І з ними все дуже непросто. З одного боку, їх існує кілька типів: маломасивні, середньої маси, великої маси. Проте це — характеристика більшого за розміром компаньйона, а не самого невидимого компактного об’єкта.
З іншого боку, сам компактний об’єкт у кожній із цих категорій не обов’язково є чорною дірою. Це також може бути нейтронна зоря чи білий карлик. Власне, спектр випромінювання акреційного диска від того, навколо якого обєкта він утворився, змінюється достатньо слабо. Тож насправді наявність рентгенівського випромінювання — достатньо ненадійна ознака чорних дір.
Звичайно, у випадку з подвійними рентгенівськими зорями все одно можна дізнатися, чим є їхній невидимий компонент. Однак зводиться це все до того ж аналізу коливань зорі, на основі якого робиться висновок про масу об’єкта, а отже, і про його сутність.
Події припливного руйнування
Особливий випадок виявлення чорної діри зоряної маси — подія припливного руйнування. Вона є екстремальним випадком у подвійній системі. Як згадано вище, якщо порівняти чорні діри з їхніми зорями-компаньйонами, то вони набагато менші за розміром, але набагато масивніші.
Як наслідок, вони можуть не тільки відтягнути на себе частину зовнішніх шарів свого компаньйона, а й взагалі розірвати його на шматки та поглинути. Цей процес відбувається не миттєво, а переважно у кілька етапів. І всі вони пов’язані з виділенням енергії, порівняної з вибухом наднової.
У цьому випадку про можливість заховатися не йдеться. Подію припливного руйнування видно навіть із досить віддалених галактик. Тож це — дуже надійний спосіб знайти чорну діру. Щоправда, відбуваються такі видовища надзвичайно рідко, і є дуже короткочасними.
Гравітаційне лінзування
У випадку, коли чорна діра не є компонентом якоїсь зоряної системи, її виявлення є значно складнішою задачею. Адже в цьому випадку єдине, чим вона себе видає, — блокування та викривлення світла зір. При цьому основний внесок тут робить її гравітаційне поле, оскільки радіус об’єкта занадто малий для того, аби ми побачили ефект від нього.
Викривлення променів світла силою тяжіння якогось об’єкта називається ефектом гравітаційної лінзи. І, теоретично, ми мали б бачити ще й спотворення форми зорі, коли перед нею проходить чорна діра. Але на практиці цей ефект занадто слабкий, тож насправді навіть найкращі астрономічні інструменти бачать тільки потьмяніння зорі.
Саме так сталося, наприклад, 2011 року, коли космічний телескоп Hubble побачив, як одна з дуже далеких зір почала тьмяніти, й цей процес тривав кілька років. Подія отримала позначення OGLE-2011-BLG-0462. Звернули увагу на неї тільки у 2022-му, й тільки у 2025-му довели, що це справді була чорна діра.
Ситуація з OGLE-2011-BLG-0462 наочно демонструє, в чому проблема з пошуком одиничних чорних дір за допомогою мікролінзування. Це надзвичайно рідкісне і дуже малопомітне явище. Треба постійно оглядати мільйони зір в надії побачити, як якась із них тьмянішає. А після цього ще уважно вивчати купу архівних знімків, щоб оцінити масу об’єкта. Бо гравітаційне лінзування може здійснити й мандрівна нейтронна зоря. Ці об’єкти також практично невидимі, коли вони не є частиною якоїсь зоряної системи.
Гравітаційні хвилі
В останні пару десятиліть вчені отримали новий спосіб виявлення чорних дір. Йдеться про детектори гравітаційних хвиль. Останні є коливаннями самого простору, які поширюються вусібіч й проходять крізь нашу планету практично непоміченими. Однак складні установки, що з надзвичайною точністю вимірюють коливання лазерного променя, здатні їх реєструвати.
Своєю чергою гравітаційні хвилі народжуються під час злиття чорних дір та нейтронних зір. У будь-якому випадку кінцевим результатом такої події є чорна діра, масу якої можна достатньо точно визначити незалежно від того, є поруч із нею якась зоря чи ні. До того ж гравітаційні хвилі рухаються через увесь Всесвіт, тож зафіксувати цю подію можна на таких відстанях, на яких іншими методами виявити чорну діру зоряної маси неможливо.
Науковці дивляться на відстежування гравітаційних хвиль з великою надією. Проте цей метод має свої значні обмеження. Адже він дозволяє зафіксувати тільки самі події злиття об’єктів, а вони — лише коротка мить в їхній історії, яка може тривати мільярди років. Самотня чорна діра, що летить вдалині від зір, так і лишається невидимкою. Крім того, відстежуючи гравітаційні хвилі, інколи доволі непросто сказати, звідки вони прийшли. Тобто вчені можуть достатньо детально описати, які маси мали чорні діри перед злиттям і як рухалися, але де саме це відбулося, може так і залишитися таємницею.
І все ж науковці з оптимізмом дивляться у майбутнє вивчення чорних дір. Якими б непомітними ці об’єкти не були, вони не можуть взагалі ніяк не взаємодіяти зі світом навколо них. А значить, вивчаючи дивну поведінку зір, ми рано чи пізно їх знайдемо.
