Черная дыра — это объект, который не излучает света. Поэтому увидеть ее с большой дистанции просто невозможно. Так как же ученым удается узнать, что где-то находится подобный объект?
Невидимая черная дыра
Если спросить у обычного человека, какой небесный объект является самым таинственным, то с большой вероятностью можно получить ответ «черная дыра». Эти объекты известны даже тем, кто никогда астрономией не интересовался и причина этого — их таинственность.
Концепция объекта, масса которого настолько большая, что даже свет не может покинуть его, родилась еще в XVIII веке. В начале XX стало понятно, что одной массы мало, она еще и должна быть помещена в определенный объем. Возникло само понятие «черная дыра», шли десятилетия, о черных дырах писали статьи, но самих их никто не видел.
Для того, чтобы понять, почему, надо четко представлять, что они собой представляют. Чернота, знакомая нам из обычной жизни, не идет ни в какое сравнение с тем, как выглядит этот объект, потому что если мы возьмем кошелек из черной кожи, экран выключенного смартфона или темные очки — их поверхность все равно будет отражать часть света. И этого никогда не происходит с черными дырами, которые весь свет поглощают.
Для того, чтобы их представить, надо скорее вспомнить ночь где-то за пределами большого города, когда нет полнолуния. Да и то свет звезд будет как-то освещать поверхность нашей планеты. Часто на анимациях черную дыру можно увидеть как абсолютно темное тело, движущееся на фоне звезд. И это действительно могло бы быть правдой, если бы забыть, что подавляющее большинство таких объектов должно быть только 20–30 км в диаметре. Поэтому для того, чтобы увидеть такую красивую картинку, надо находиться совсем недалеко от них. Уже с расстояния в десятки миллионов километров, не говоря уже о тысячах световых лет, увидеть, как за куском темноты исчезают звезды, крайне трудно. Так как же ученым удается обнаруживать их?
Типы черных дыр
Прежде чем ответить на этот вопрос, надо вспомнить, что в целом черные дыры могут быть практически любой массы, и в зависимости от этого ситуация с их обнаружением может быть разной.
Обычно говорят, что эти объекты не могут иметь массу меньше, чем несколько солнечных. Однако это верно только для тех из них, которые образуются в результате эволюции звезд в настоящее время. В начале существования Вселенной вследствие колебаний самого пространства-времени они вполне могли образовываться хоть с массой протона.
Эти черные дыры называются первичными, сама возможность их существования не признается многими учеными. Кроме того, из-за явления, которое называется излучением Хокинга, самые маленькие из них давно уже должны были бы испариться. Поэтому серьезно их никто не ищет.
На другом конце спектра находятся сверхмассивные черные дыры, и это единственные представители этого класса объектов, в реальности которых никто сейчас не сомневается. Ученые точно знают, что искать их надо в центрах галактик, и присутствие их там хорошо видно благодаря тому, что они активно взаимодействуют с веществом, заставляют звезды вращаться с большой скоростью, а часть притянутой ими массы иногда выбрасывается в пространство в виде гигантских джетов. Такое явление мы называем квазаром, и его видно через всю Вселенную.
Есть еще черные дыры промежуточной массы. По крайней мере должны быть, ведь каким-то образом объекты, образовавшиеся в результате вспышек сверхновых, должны превращаться в своих сверхмассивных родственников. Правда, они настолько неуловимы, что ученые до сих пор имеют лишь несколько кандидатов на их роль.
Наконец, остаются черные дыры звездной массы. Именно их преимущественно подразумевают те исследователи, которые сообщают о новых сенсационных открытиях в нашей Галактике. Итак, как удается найти абсолютно черный объект диаметром не более тридцати километров, который находится на расстоянии сотен и тысяч световых лет от нас?
Черные дыры в двойных системах
Большинство черных дыр звездной массы, в существовании которых ученые более или менее уверены, находятся в кратных звездных системах. Обычно они двойные, но известно также несколько, в состав которых входят три объекта, один из них является черной дырой.
В этом случае проще обнаружить черную дыру при ее гравитационном взаимодействии с компаньоном. Дело в том, что эти объекты, как правило, достаточно массивны даже по космическим меркам: от 5 до 30 масс Солнца, а то и больше. Подавляющее количество звезд легче, а вращающиеся объекты вокруг общего центра масс. Современное астрономическое оборудование, в частности космический телескоп Gaia, позволяет получить астрометрические данные беспрецедентной точности, разоблачая даже крохотные колебания звезд вокруг равновесной точки. Таким образом, изучая едва заметное движение звезды, ученые могут обнаружить ее невидимый компаньон — черную дыру.
Еще интереснее ситуация, когда черная дыра и звезда-компаньон вращаются одна вокруг другой на близком расстоянии. В этом случае вторая заполняет свою полость Роша, а крошечная и почти невидимая, но при этом значительно массивнее первая оттягивает на себя вещество с ее поверхности. То начинает вращаться вокруг нее и формирует аккреционный диск.
И вот этот диск становится источником интенсивного излучения. Часть его приходится на видимый диапазон, но максимум обычно приходится на рентгеновский.
Собственно, именно так себя выдала первая известная ученым черная дыра. Первоначально ее открыли именно как источник рентгеновского излучения — Лебедь Х-1. И это именно по нему в свое время Кип Торн и Стивен Хокинг заключали пари на подписку на эротические журналы относительно того, удастся ли доказать, что это — черная дыра, или нет. В конце концов Торн победил и природа этого объекта была подтверждена.
Черные дыры, входящие в состав двойных систем, могут вести себя неспокойно. Время от времени в аккреционных дисках некоторых из них происходят мощные термоядерные взрывы, которые особенно яркие именно в высокочастотном диапазоне. Их называют рентгеновскими новыми.
В общем пары космических объектов, которые являются активными в рентгеновском диапазоне, называются рентгеновскими двойными. И с ними все очень непросто. С одной стороны, их существует несколько типов: маломассивные, средней массы, большой массы. Однако это — характеристика большего по размеру компаньона, а не самого невидимого компактного объекта.
С другой стороны, сам компактный объект в каждой из этих категорий не обязательно является черной дырой. Это также может быть нейтронная звезда или белый карлик. Собственно, спектр излучения аккреционного диска от того, вокруг какого объекта он образовался, меняется достаточно слабо. Поэтому на самом деле наличие рентгеновского излучения — достаточно ненадежный признак черных дыр.
Конечно, в случае с двойными рентгеновскими звездами все равно можно узнать, чем является их невидимый компонент. Однако сводится это все к тому же анализу колебаний звезды, на основе которого делается вывод о массе объекта, а следовательно, и о его сущности.
События приливного разрушения
Особый случай обнаружения черной дыры звездной массы — событие приливного разрушения. Она является экстремальным случаем в двойной системе. Как упомянуто выше, если сравнить черные дыры с их звездами-компаньонами, то они гораздо меньше по размеру, но гораздо массивнее.
Как следствие, они могут не только оттянуть на себя часть внешних слоев своего компаньона, но вообще разорвать его на куски и поглотить. Этот процесс происходит не мгновенно, а, как правило, в несколько этапов.
В этом случае о возможности спрятаться речь не идет. Событие приливного разрушения видно даже из весьма отдаленных галактик. Потому это — очень надежный способ найти черную дыру. Правда, происходят такие зрелища чрезвычайно редко, и являются очень кратковременными.
Гравитационное линзирование
В случае, когда черная дыра не является компонентом какой-то звездной системы, ее обнаружение является значительно более сложной задачей. Ведь в этом случае единственное, чем она себя выдает, — блокирование и искажение света звезд. При этом основной вклад здесь вносит ее гравитационное поле, поскольку радиус объекта слишком мал для того, чтобы мы увидели эффект от него.
Искривление лучей света силой притяжения какого-то объекта называется эффектом гравитационной линзы. И, теоретически, мы должны были бы видеть еще и искажение формы звезды, когда перед ней проходит черная дыра. Но на практике этот эффект слишком слаб, поэтому на самом деле даже лучшие астрономические инструменты видят только потускнение звезды.
Именно так произошло, например, в 2011 году, когда космический телескоп Hubble увидел, как одна из очень далеких звезд начала тускнеть, и этот процесс длился несколько лет. Событие получило обозначение OGLE-2011-BLG-0462. Обратили внимание на него только в 2022-м, и только в 2025-м доказали, что это действительно была черная дыра.
Ситуация с OGLE-2011-BLG-0462 наглядно демонстрирует, в чем проблема с поиском единичных черных дыр с помощью микролинзирования. Это чрезвычайно редкое и очень малозаметное явление. Надо постоянно осматривать миллионы звезд в надежде увидеть, как какая-то из них тускнеет. А после этого еще внимательно изучать кучу архивных снимков для того, чтобы оценить массу объекта. Потому что гравитационное линзирование может осуществить и странствующая нейтронная звезда. Эти объекты также практически невидимы, когда они не являются частью какой-то звездной системы.
Гравитационные волны
В последние пару десятилетий ученые получили новый способ обнаружения черных дыр. Речь идет о детекторах гравитационных волн. Последние являются колебаниями самого пространства, которые распространяются во все стороны и проходят сквозь нашу планету практически незамеченными. Однако сложные установки, с чрезвычайной точностью измеряющие колебания лазерного луча, способны их регистрировать.
В свою очередь гравитационные волны рождаются при слиянии черных дыр и нейтронных звезд. В любом случае конечным результатом такого события является черная дыра, массу которой можно достаточно точно определить независимо от того, есть рядом с ней какая-то звезда или нет. К тому же гравитационные волны движутся через всю Вселенную, поэтому зафиксировать это событие можно на таких расстояниях, на которых другими методами обнаружить черную дыру звездной массы невозможно.
Ученые смотрят на отслеживание гравитационных волн с большой надеждой. Однако этот метод имеет свои значительные ограничения. Ведь он позволяет зафиксировать только сами события слияния объектов, а они – лишь короткий миг в их истории, которая может длиться миллиарды лет. Одинокая черная дыра, летящая вдали от звезд так и остается невидимкой. Кроме того, отслеживая гравитационные волны, иногда довольно непросто сказать, откуда они пришли. То есть ученые могут достаточно подробно описать, какие массы имели черные дыры перед слиянием и как двигались, но где именно это произошло, может так и остаться тайной.
И все же ученые с оптимизмом смотрят в будущее изучения черных дыр. Какими бы незаметными эти объекты ни были, они не могут вообще никак не взаимодействовать с миром вокруг них. А значит, изучая странное поведение звезд, мы рано или поздно их найдем.
