Як побачити чорну діру?

Зовні все виглядає досить звичайно. До невеликого телескопа-рефлектора з дзеркалом діаметром 60 сантиметрів – прикріплений фотометр, що реєструє зміни яскравості зоряного об’єкта. Перетворивши кванти випромінювання в електронні імпульси, він передає цю інформацію по кабелю в пристрій, що вимірює проміжки часу між окремими квантами і виражає результат словами з двійкових букв. Далі запис вводиться в потужний комп’ютер.

Вражає тут те, що установка реєструє проміжки часу аж до 10^-7 секунди! Більш того, в інтервалах між наносекундними імпульсами цей комплекс апаратури, що носить дивну назву БАНЗЯ (багатоканальний аналіз наносекундних змін яскравості), встигає перекинутися з комп’ютером, що входить в його склад купою слів, кожне з яких складається з 28 двійкових букв.

Отже, комп’ютер запам’ятав і обробив повідомлення, тепер він не поспішаючи видає досліднику попередній графік, за яким можна судити, наскільки швидкозмінним був об’єкт спостереження. Якщо його яскравість змінювалася порівняно повільно, – значить в об’єктиві перебувала звичайна зірка. Якщо ж частота коливань вимірювалася нано або мікросекундами, це може означати, що ми побачили не що інше, як… «чорну діру».

Але чи можна взагалі її побачити? За сучасними уявленнями — ні. Жахлива гравітація тіла, розміри якого не перевищують десяти кілометрів, а маса порівнянна з сонячною, не дозволяє вирватися з цієї пастки жодному променю світла, жодному електромагнітному коливанню. І все ж у гори Пастухова, поблизу Головного Кавказького хребта, де розташована спеціальна астрофізична обсерваторія періодично «обнишпорюють» небо за допомогою оптичного телескопа і комплексу БАНЗЯ в надії виявити ці, мабуть, найзагадковіші об’єкти Всесвіту. Співробітник CAO кандидат фізико-математичних наук Віктор Шварцман, розробив цю установку, запропонував шлях, йдучи по якому, можливо, вдасться побачити невидиме.

Так, з «чорної діри» дійсно, не може виходити ніяке випромінювання — в цьому і полягає її фізична сутність. Будь-яка порція речовини, залучена в гравітаційну воронку, додасть їй маси, але світність як і раніше залишиться нульовою. Однак давайте подумаємо, що відбуватиметься в найближчих околицях «чорної діри». Речовина, що потрапила в зону дії гравітаційного поля, почне з прискоренням рухатися до його центру. Друга космічна швидкість для «чорної діри» дорівнює швидкості світла; отже, такої ж швидкості досягне біля її кордонів вільно падаюче тіло (точно так само, як у поверхні Землі тіло, не відчуваючи опору атмосфери, розігналося б до 11,2 кілометра на годину).

Перш ніж провалитися в тартарари, падаюча плазма розігрівається до температур 10¹² (трильйон) градусів Кельвіна; електрони плазми стають ультра-релятивістськими (тобто їх швидкість майже досягає швидкості світла). Напруженість магнітних полів поблизу самої «чорної діри» стає в сотні тисяч разів більше, ніж, наприклад, на поверхні Сонця.

У потужних магнітних полях ультра-релятивістські електрони інтенсивно випромінюють свою енергію. Розрахунки показують, що електромагнітні кванти, які випускаються при цьому повинні належати головним чином до оптичного діапазону. Правда, невелика частина енергії одночасно може виділятися в інфрачервоному і радіодіапазонах, але так чи інакше «чорна діра», точніше, її околиці можуть бути видимими.

Падіння речовини на об’єкт, що притягує її з виділенням енергії отримало назву акреції. Цей зовсім молодий термін все частіше миготить в астрофізичній літературі; нове поняття обіцяє принести відчутні плоди. Вчені Рашид Сюняєв і Микола Шакура, розвиваючи теорію акреції, досліджували цей процес стосовно «чорних дір», що входять в подвійні системи з оптичними зірками. (Шварцман займається головним чином поодинокими «чорними дірами».) Незважаючи на те, що природа цих об’єктів тотожна, в залежності від того, чи є вони в самоті або терплять чиє-небудь сусідство, картина акреції різна.

У подвійних системах масивний сусід, бажає він того чи ні, повинен експортувати ненаситній дірі частину газу з своєї атмосфери, і потік акреційної речовини в цьому випадку буде набагато потужніше. Здавалося б, обставина щаслива: чим більше газу, тим яскравіше диск навколо дірки. Але ні, тонкощі теорії змушують пригасити оптимізм. Потужний потік газу дасть вже не оптичне, а рентгенівське і частково ультрафіолетове випромінювання, недоступні для безпосереднього спостерігача з поверхні Землі. Одиночна ж діра «харчується» міжзоряним газом, щільність якого, як відомо, дуже мала — приблизно один атом на кубічний сантиметр простору.

Навколишній її ореол надзвичайно слабкий, але його все ж можна побачити як слабкий оптичний або радіо об’єкт. Але як відрізнити “чорну діру” від звичайної слабкої зірки? По деяким характерним особливостям випромінювання. В релятивістському потоці газу протікають бурхливі плазмові процеси, тому світність повинна змінюватися з величезною частотою — сотні тисяч разів в секунду і до того ж чисто випадковому порядку. Коливання світності звичайних зірок незрівнянно повільніше, і в них можна відшукати певні закономірності. Пошук швидкозмінних коливань можливий за допомогою комплексу БАНЗЯ. Він ведеться автоматично, і комп’ютер викреслює графіки тільки для тих порцій випромінювання, в яких виявлені швидкі зміни.

Автор: В. Шикан.