общая оболочка

В центре галактики, где сверхмассивная чёрная дыра закручивает вокруг себя диск раскалённого газа, иногда рождаются звёзды-гиганты. Они не похожи на обычные: диск непрерывно подкармливает их веществом, и звезда может вырасти до сотен масс Солнца, оставаясь яркой, пока поток газа не иссякнет. Такая звезда — как губка, впитывающая воду: она живёт, пока её наполняют.

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.

Две звезды обращаются вокруг общего центра масс, словно танцоры, которые то сближаются, то расходятся вновь. Со временем одна из них разбухает, и её внешние слои — разреженная газовая оболочка — перетекают на соседку. Звезда, принявшая чужое вещество, внешне неотличима от одиночной: ни по светимости, ни по массе напрямую не распознать её двойную природу.

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.

Почти два месяца требуется звёздной паре J05+50, чтобы завершить один оборот вокруг общего центра. С Земли она выглядит как слабая точка в созвездии Геркулеса — 4625 парсек от нас. Фотометрия с двойной звезды фиксирует лишь мерное покачивание яркости, словно пульс огромного сердца.

В августе 2019 года детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную волну от слияния двух компактных объектов в двойной системе. Один из них весил 23 солнечных массы — рядовая чёрная дыра. Второй же — 2.5–2.67 M⊙.

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 центре далекой галактики сверхмассивная черная дыра окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — гигантской воронкой с космическим веществом. В этом диске может оказаться небольшой компактный объект, например, другая черная дыра звездной массы. Она движется по своей орбите, но время от времени протыкает диск насквозь, словно игла, прошивающая ткань.

Два камня падают в пруд. От каждого расходятся круги, но стоит им столкнуться — возникает всплеск и короткий звонкий удар. Примерно так же звучит слияние двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Детекторы регистрируют «рябь» пространства-времени — гравитационные волны, порождённые слиянием чёрных дыр или нейтронных звёзд. Это словно эхо кухни, где готовилось космическое блюдо. Астрономы пытаются восстановить рецепт: как две массивные звезды превратились в экзотическую пару и столкнулись.

В семействе сверхплотных остатков мёртвых звёзд долго зияла пустота. Нейтронные звёзды — стремительные волчки размером с город — редко тяжелее двух Солнц. Чёрные дыры начинаются примерно с пяти солнечных масс. А между ними — «провал», где десятилетиями не могли найти ни одного объекта.

В густонаселённом центре галактики две звезды кружатся так близко, что одна сдирает с другой внешние слои — как ветер сдувает верхнюю одежду. Остаётся горячее гелиевое ядро, звезда без водородной оболочки. Лёгкие и очень массивные звёзды такого типа астрономам хорошо знакомы: первые называют горячими субкарликами, вторые — звёздами Вольфа-Райе.

Когда нейтронная звезда и чёрная дыра сливаются в финальном катаклизме, они возмущают ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны — рябь, которая спустя миллионы лет достигает детекторов на Земле.

Две чёрные дыры летят навстречу и сталкиваются лоб в лоб. В привычной картине их горизонты (поверхности, откуда не выходит даже свет) тянутся друг к другу, как капли воды, и сливаются в одну гладкую фигуру. Но расчёты показывают иное: перед слиянием на каждом горизонте вытягивается острый клюв — касп.

Представьте, как настраивается оркестр: скрипки взлетают вверх — это привычный «чирп» слияний чёрных дыр в детекторах LIGO. А теперь вообразите траурный марш: звук, тянущийся вниз, словно затихающая сирена. Именно такой гравитационно-волновой почерк должна оставлять система, где одна из масс отрицательна.

Многолюдный зал, где каждый человек — это молекула, а его личный разговор — движение электронов внутри неё. В обычной ситуации все говорят сами с собой, и общий гул хаотичен. Но если в центре зала зажигают яркий прожектор, он начинает дирижировать толпой: люди синхронизируют свои движения, хотя свет лишь отражается от стен.

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.

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.

Когда две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга и сливаются, они посылают по Вселенной рябь — гравитационные волны. Эти волны несут в себе отпечаток того, как именно двигались объекты перед столкновением. По форме этого «танца» можно понять, насколько объекты похожи на идеальные чёрные дыры.

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.

Каждые 15 часов в созвездии, до которого от нас 57 световых лет, происходит маленькое солнечное затмение. Крошечный белый карлик — звезда размером с Землю, но тяжелее Солнца — ныряет за диск красного карлика. Для астрономов это не просто красивое совпадение, а способ заглянуть в прошлое звёздной пары.

Кусок сахара лежит на блюдце рядом с чашкой горячего чая. Если уронить его в чай, он растворится за минуты. Но если медленно опускать, сахар тает постепенно, отдавая сладость напитку. Похожее происходит в двух недавно открытых звёздных парах, только вместо сахара — коричневый карлик, а вместо чая — звезда.

Стайка светлячков в ночном лесу вспыхивает как попало: каждый жучок мигает сам по себе, и свет разлетается во все стороны одинаково. А теперь светлячки договорились мигать так, чтобы их общий свет уходил только на север — хотя сами они стоят на месте и ни один не повернулся. Примерно это сделали физики с атомами внутри тонкой стеклянной трубки. Атомы в трубке возбуждали лазером, и они начинали испускать свет.

В звёздном скоплении NGC 2158, которому больше миллиарда лет, астрономы сосчитали, как часто звёзды живут парами. Телескоп «Хаббл» смотрел на скопление очень долго, чтобы увидеть даже самые тусклые звёзды — те, что легче трети Солнца.

В плотном ядре шарового скопления NGC 6397, где звёзды теснятся как пассажиры в час пик, астрономы заметили странную пару. Одна звезда — белый карлик с температурой поверхности 16 000 К (раскалённый остаток звезды, остывающий миллиарды лет), а рядом с ней кружится невидимый компаньон. Они оборачиваются вокруг общего центра масс за 0,54 дня — быстрее, чем Земля вокруг своей оси.

В глубине космоса есть облако газа, похожее на ожерелье с яркими бусинами. Это туманность Ожерелье — остатки звезды, которая когда-то раздулась и поглотила своего соседа. В центре осталась пара: маленькая горячая звезда и её раздувшийся компаньон, богатый углеродом.

В центрах почти всех галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры — незримые исполины с гравитацией такой силы, что даже свет не может их покинуть. Когда две галактики сталкиваются, их чёрные дыры оказываются парой, обречённой танцевать друг вокруг друга.

В звёздном скоплении, как в переполненном танцполе, массивные звёзды редко остаются в одиночестве. Чаще всего они кружатся в парах или тройках, и расстояние между ними может быть меньше, чем от Земли до Солнца. Но как им удаётся так тесно прижаться друг к другу? Моделирование показало: всё дело в диске из газа и пыли, который окутывает пару.

Две звезды кружатся в тесном танце. Одна — нейтронная звезда, сверхплотный шар размером с город, но массой как полтора Солнца. Вторая — обычная звезда, которая раздувается и переливает своё вещество на соседку. Иногда этот перелив идёт слишком быстро, и звёзды окутывает общая газовая оболочка — как две ложки в одной кастрюле с кипящим супом.

Ранняя Вселенная представляла собой экстремально горячую и плотную среду. В этой среде, подобно пузырькам пара в закипающей воде, спонтанно возникали пузыри нового состояния пространства — области, где физические свойства резко менялись.

Когда две звезды сближаются в космическом танце, их движение сопровождается дополнительным покачиванием — следствием искривления пространства-времени (эффект, предсказанный Эйнштейном в общей теории относительности). Планета, обращающаяся вокруг этой пары, тоже подвержена покачиванию.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.