двойная чёрная дыра

В 2015 году детекторы LIGO впервые поймали дрожь пространства от слияния двух чёрных дыр. С тех пор таких событий накопились сотни, и каждое несёт отпечаток своей родословной: родились ли дыры рядом, из одной пары звёзд, или встретились случайно в тесном скоплении. Разница видна по тому, куда смотрят их оси вращения. Если звёзды росли вместе, приливные силы выстраивают их спины, как стрелки компаса на север.

Два волчка кружатся так близко, что почти касаются друг друга. Один — раскалённый голубой, другой — тусклый белый. Вместе они делают полный оборот за двадцать часов. Это пара Фейге 64: голубая звезда массой всего треть Солнца и белый карлик — остывшее ядро бывшей звезды — в полтора раза тяжелее нашего светила. Голубая звезда кажется слишком горячей для своей массы.

В тонких слоях кристалла селенида тантала (TaSe₂) обнаружено свойство, бросающее вызов привычной физике. Когда между слоями этого материала внедрили атомы-гости, структура потеряла центр инверсионной симметрии — и внутри возникла сверхпроводимость с необычной защитой.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* — объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может её покинуть. Если рядом с ней обращается невидимый компаньон — например, вторая чёрная дыра, — их орбитальный танец можно обнаружить по поведению света далёких звёзд.

Столкновение галактик подобно медленному гравитационному танцу: два звёздных партнёра постепенно сближаются, а в центре каждой прячется сверхмассивная чёрная дыра — невидимый маховик с массой в миллионы или миллиарды солнечных.

Газовый диск весом в четыреста тысяч солнц опоясывает сверхмассивную чёрную дыру в центре Млечного Пути. Его притяжение работает как гравитационный руль: медленно, но неотвратимо разворачивает орбиты двойных звёзд, загоняя их в область, где приливные силы разрывают пару на части.

1799 километров в секунду — с такой скоростью звезда S5-HVS1 навсегда покидает Галактику. 4.8 миллиона лет назад она была выброшена из центра Млечного Пути при тесном сближении со сверхмассивной чёрной дырой Sgr A*. Такое событие оставляет два ископаемых следа: гиперскоростную звезду-беглянку и её компаньона, захваченного на вытянутую орбиту. Второй след, возможно, найден.

Вселенная переписывает свою историю снова и снова. Там, где обычная астрономия видит лишь точку — чёрную дыру, — гравитационные волны снимают тонкие слои прошлого, как с древнего палимпсеста. Идею о том, что чёрные дыры могут расти, поглощая друг друга, а их потомки — вступать в новые союзы, астрофизики обсуждают уже полвека.

В сердце почти каждой галактики дремлет сверхмассивная чёрная дыра — невидимый дирижёр звёздного оркестра. Когда галактики сталкиваются, их центральные монстры сближаются, закручиваясь в гравитационном танце. Иногда к дуэту присоединяется третий партнёр, и тогда начинается тройной вальс, исход которого непредсказуем.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

Детекторы гравитационных волн зафиксировали странный всплеск — сигнал GW241011. Две чёрные дыры слились, но пара выглядела необычно: одна дыра была примерно втрое легче другой, и при этом система в целом быстро вращалась. Такое сочетание — редкий гость в каталогах.

Двадцать три года «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» всматривались в самую гущу Омеги Центавра — шарового скопления, где миллионы звёзд теснятся в пространстве поперечником в полторы сотни световых лет. В этом звёздном улье движение светил выдало невидимого партнёра: звезду главной последовательности (ту, что ещё не сошла с основной ветви эволюции) словно дёргало в танце с незримым грузом.

Две чёрные дыры кружатся в медленном танце, постепенно сближаясь. Их движение возмущает само пространство-время — как если бы два тяжёлых шара катились по натянутой простыне, заставляя её дрожать. Эти дрожания мы называем гравитационными волнами.

Волны перебирают гальку на песчаном пляже. Мелкие камешки лежат плотно друг к другу, почти одинаковые по размеру. Чуть дальше от берега — россыпь покрупнее и поразнообразнее. А у самой воды, где прибой особенно силён, скапливаются самые большие и окатанные обломки. Примерно так же природа сортирует чёрные дыры по массе, когда они сливаются в пары.

Пары чёрных дыр перед слиянием демонстрируют три различных «танцевальных» стиля. Первый — аккуратный вальс: объекты кружатся, вращаясь в одном направлении, словно партнёры, смотрящие в одну сторону. Такие пары рождаются из двойных звёзд и часто обладают неравными массами. Второй — хаотичное диско: направления вращений разбросаны, а массы почти одинаковы.

Две чёрные дыры — сверхмассивные объекты, чья гравитация не выпускает даже свет, — обращаясь друг вокруг друга, ведут себя подобно лодке, которая гребёт звёздами. Каждая пролетающая мимо звезда, захваченная гравитацией пары, отбрасывается прочь, словно гребок веслом, и передаёт системе импульс.

Огромный пруд, по которому расходятся круги от двух тяжёлых камней, кружащихся друг вокруг друга. Камни сближаются, круги становятся чаще и сильнее, и вот-вот камни столкнутся. Гравитационные волны — это такие же круги, но не на воде, а в самой ткани пространства. Их испускают пары массивных чёрных дыр, когда те сливаются в одну.

Be-звёзды — это быстро вращающиеся светила, окружённые ярким газовым диском. Обычно их раскручивает звезда-компаньон: вещество, перетекая с соседки, закручивает звезду, словно пулю в нарезном стволе — аналогия, упрощённо передающая передачу углового момента через аккрецию. Однако встречаются и одинокие Be-звёзды без пары, и их происхождение долго оставалось загадкой.

Свежий урожай гравитационных волн принёс загадку. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали десятки сигналов от сливающихся чёрных дыр, и на графике их масс зияет провал: объектов тяжелее 45 Солнц почти нет, а те, что есть, крутятся подозрительно быстро. Кто-то говорит — звёзды-гиганты взрываются слишком «чисто», не оставляя после себя ничего.

Рыбацкая сеть натянута в глубинах космоса. Когда массивная звезда умирает, она оставляет после себя чёрную дыру — грузило в этой сети. Обычно такие грузила весят от нескольких до десятков солнц.

Две звезды кружатся вокруг общего центра, поглощая газ из окружающего облака. Вокруг каждой звезды и вокруг всей пары образуются вращающиеся диски газа. Из этих дисков, как из шлангов, вырываются струи. Внутри дисков газ постоянно перемешивается — так работает магнитная неустойчивость.

Чёрная дыра способна терзать звезду не в одном катастрофическом акте, а годами, постепенно снимая с неё вещество. Ключевую роль здесь играют приливные силы — разность гравитационного притяжения чёрной дыры, которая действует на ближнюю и дальнюю стороны звезды: ближняя сторона притягивается заметно сильнее, и звезду начинает растягивать.

Две невращающиеся чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько сильной, что ничто, включая свет, не может их покинуть, — в момент слияния рождают гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени, которую ловят приборы, разработанные при участии Кипа Торна.

Представьте гул многолюдной площади — именно так звучит гравитационный фон Вселенной, уловленный сетью пульсаров — нейтронных звёзд, которые с точностью атомных часов испускают регулярные радиоимпульсы. В этом вселенском гаме скрыты «отпечатки» отдельных пар чёрных дыр, обращающихся друг вокруг друга.

Когда две галактики сталкиваются, их центральные чёрные дыры начинают долгий танец сближения. Пока они не слились в одну, мы можем увидеть пару квазаров — ярких огней, которые зажигаются, когда чёрные дыры поглощают газ и пыль. Такие пары на небе — как два маяка, стоящие близко друг к другу, но каждый светит из своей гавани.

Ледяное тело Аррокот похоже на снеговика: два шара, прижатых друг к другу. Таких двуглавых объектов много за орбитой Нептуна, в поясе Койпера. Долго считалось, что они возникают при медленном столкновении двух отдельных тел. Новое моделирование показывает другой путь. Облако мелких камешков вокруг молодого Солнца сжимается собственной тяжестью.

Рентгеновский телескоп на орбите годами записывал, как светятся двойные системы, где вокруг чёрной дыры или нейтронной звезды крутится обычная звезда. Вещество с соседки падает на компактный объект, разогревается до миллионов градусов и испускает рентген.

Свет далёкой галактики летит к нам миллиарды лет, но по дороге может наткнуться на массивное скопление галактик. Его гравитация работает как кривое стекло: искривляет путь лучей, и вместо одной картинки мы видим несколько — иногда дугами, иногда точками.

Две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга, и их танец не всегда похож на ровный вальс. Если дыры крутятся вокруг своей оси, то их орбита может начать кувыркаться — как волчок, который подтолкнули, и он заваливается набок, продолжая кружиться.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр массами 137 и 103 массы Солнца. Обе попали в щель парной нестабильности — диапазон от 69 до 139 солнечных масс, где обычная эволюция звёзд не оставляет после себя ничего, кроме разлетающегося газа.

В апреле 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр. Массы — 137 и 103 солнечных — сделали событие GW231123 самым массивным в истории наблюдений. Обе дыры попали в «провал парной нестабильности» — диапазон, где обычная звёздная эволюция не должна оставлять чёрных дыр.