микроквазар

Далеко в созвездии Рака, в 3,5 миллиарда световых лет от Земли, тикают часы с маятником. Маятник этот — вторая чёрная дыра, которая обращается вокруг первой, гораздо более массивной. Каждые двенадцать лет маятник проходит сквозь газовый диск, окружающий центральную дыру, и часы отбивают такт: яркая вспышка света, которую видят телескопы. В октябре 2022 года часы снова подали голос.

Маленький монстр прячется в карликовой галактике, и его кормит сосед. Галактика-спутник медленно сливается с массивной соседкой, и газ из внешних областей падает к центру, где сидит чёрная дыра. Она невелика по меркам Вселенной: всего от восьмисот до пяти тысяч масс Солнца, но аппетит у неё зверский.

В центре ультракомпактной карликовой галактики (очень плотной звёздной системы размером в десятки световых лет) работает пылесос. Только вместо пыли он всасывает газ, который сбрасывают умирающие звёзды. Этот газ не разлетается в стороны, а закручивается в воронку — вращающийся диск, который постепенно оседает на чёрную дыру.

Линейку к невидимому диску прикладывают не вплотную, а через всю Вселенную. Свет далёкого квазара — раскалённого газа, кружащего вокруг сверхмассивной чёрной дыры, — по пути к нам проходит сквозь галактику-линзу. Гравитация звёзд в этой галактике изгибает лучи, как неровное стекло, и на снимках квазар раздваивается, а его яркость слегка дрожит.

Чёрная дыра массой 35 000 солнечных движется сквозь газ галактики, подобно барже, рассекающей туман. Её гравитация — искривление пространства-времени — сгребает вещество перед собой, а позади формирует плотный след, кильватерную струю из газа. Часть этого газа дыра аккрецирует — затягивает в себя, увеличивая свою массу.

Вокруг молодой звезды, только начинающей свою термоядерную жизнь, вращается вихрь пыли и газа — протопланетный диск. Он растёт, аккрецируя (собирая) вещество из окружающего молекулярного облака.

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.

Самый быстрый ветер во Вселенной несётся со скоростью 0,58 скорости света. Расстояние от Земли до Луны он покрывает за две секунды. Этот ветер — не струя из джета, а широкий поток газа, вырывающийся из центра галактики. Не все чёрные дыры работают одинаково: одни порождают такие ураганы, а другие — узкие плазменные лучи. Ответ напоминает зацепление шестерёнок.

Восемьсот миллионов лет после Большого взрыва — и в сердце молодой галактики уже бьётся чудовищный мотор. Чёрная дыра массой в десять миллиардов солнц пожирает вещество так жадно, что её излучение должно затмить всё вокруг. Но снаружи тишина.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

Коллапс ядра звезды похож на сжатие пружины: вещество падает внутрь, а в центре рождается нейтронная звезда. Но падение не бывает идеально ровным. В кипящих внешних слоях случайные завихрения передают вращение падающему газу — и вокруг центрального объекта закручивается диск. Этот диск — не спокойная река. Он пульсирует: то усиливается, то затухает.

Три миллисекунды до слияния. Огромная чёрная дыра с бешеной скоростью вращения втягивает в себя нейтронную звезду — шар размером с город, но с массой в полтора Солнца. Приливные силы растягивают звезду в тонкую, как игла, нить и расшвыривают вещество прочь.

Ветка падает в водоворот. Её крутит и ломает, но иногда из центра вырывается мощный фонтан воды. Примерно так же чёрная дыра разрывает пролетающую мимо звезду, и порой после этого в космос бьёт ослепительная струя плазмы — джет.

Рой крошечных невидимых частиц — как облако пыльцы — дрейфует в космосе. На его пути оказывается чёрная дыра. Одни частицы падают в неё и исчезают навсегда, другие огибают ловушку и улетают прочь. Физики построили карту, которая показывает, сколько именно вещества будет проглочено, а сколько уцелеет.

В центре плотного звёздного скопления царит настоящая кузница: здесь звёзды, словно раскалённые заготовки, сталкиваются и сливаются под действием гравитации, и эти слияния — не катастрофа, а возможность. Каждый удар звёздного молота передаёт будущей чёрной дыре вращение.

В 1933 году Фриц Цвикки впервые заговорил о невидимой массе, удерживающей скопления галактик. Спустя десятилетия Вера Рубин нарисовала карту галактического вращения, выявив призрачное присутствие тёмной материи. Сегодня мы знаем, что она пронизывает космос, но её частичная природа остаётся неуловимой.

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.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Два магнита сталкиваются в тёмной комнате, слипаются в комок — и раздаётся глухой стук. Примерно так же ведут себя чёрные дыры, только вместо магнитов у них электрический заряд, а вместо стука — всплеск гравитационных волн. Но в этой истории есть третий участник — невидимое поле, которое физики называют скалярным.

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.

Капля холодного гелия пролетает в опасной близости от чёрной дыры. Это не просто капля — это мёртвая звезда размером с Землю, но с массой, сравнимой с солнечной.

Представьте канатоходца, балансирующего над пропастью. Каждый шаг меняет натяжение каната, и малейший сдвиг центра тяжести может оказаться роковым. Примерно так выглядит танец обычной солнцеподобной звезды вокруг чёрной дыры в десять солнечных масс, если орбита сильно вытянута.

В безмолвном театре космоса пьеса жизни звезды идёт миллиарды лет. Но иногда на сцену проникает невидимый режиссёр — первичная чёрная дыра. Этот сгусток тёмной материи, рождённый в первую секунду бытия (как предсказывал Стивен Хокинг), массой с астероид и размером с атом, может быть захвачен звездой.

Бросьте в пруд камень — пойдут круги. Нечто похожее происходит внутри компактных сгустков тёмной материи, когда они попадают в особую среду — скалярное поле. Это поле, пронизывающее всё вокруг, способно самопроизвольно усиливаться в недрах таких объектов, словно круги на воде становятся всё выше и заметнее.

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.

Мощный пылесос засасывает не только пыль, но и собственный мешок для сбора мусора. Примерно так ведёт себя чёрная дыра в центре «красной точки» — далёкой галактики, где свечение идёт не от самой дыры, а от её плотной газовой шубы. Эта шуба настолько толстая, что напоминает раздутую холодную звезду. И, как у многих звёзд, у неё есть магнитное поле.

Прожектор светит сквозь тёмный зал. Между лампой и стеной проплывает невидимая линза — и пятно света на мгновение становится ярче, чуть смещается. Именно это пять ночей подряд высматривал телескоп DECam, нацеленный на Большое Магелланово Облако — галактику-спутник нашего Млечного Пути. Он поймал вспышку длиной всего в час.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

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.

В ранней Вселенной плотность звёздных скоплений была столь высока, что в них формировались исполинские звёзды размером с Солнечную систему. Если бы такой гигант занял место Солнца, его внешняя граница простиралась бы до орбиты Юпитера.

Падающий на чёрную дыру газ закручивается в спираль, как вода в воронке. В этом потоке постоянно рождаются и лопаются магнитные петли — примерно как солнечные вспышки, но гораздо мощнее. Каждая такая петля — крошечный магнит, который живёт своей жизнью. Когда их много, они начинают влиять друг на друга: их северные и южные полюса то притягиваются, то отталкиваются.

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.

Стремительный рост чёрных дыр — областей пространства-времени с гравитацией, не выпускающей даже свет — в ранней Вселенной остаётся одной из главных загадок астрофизики. Возможную разгадку предлагают квазизвёзды — гигантские газовые коконы, в недрах которых прячется чёрная дыра.

В расширяющемся газовом облаке, оставшемся после взрыва звезды — такие облака называют остатками сверхновых, — астрономы обнаружили гигантскую светящуюся структуру в форме буквы S. Она образована двумя джетами — узкими струями раскалённой плазмы, выброшенными во время катастрофического коллапса звезды.

Струя воды из шланга, бьющая в стену, растекается в стороны. Так же ведут себя астрофизические джеты — узкие потоки плазмы, выбрасываемые из окрестностей чёрных дыр или молодых звёзд. Когда такой поток встречает сопротивление окружающего газа, внутри него образуется ударная волна, похожая на стоячую волну в быстрой реке.

Две тусклые звезды кружатся так близко, что одна перетягивает вещество с другой, как ложка, которой аккуратно снимают пенку с бульона. Астрономы впервые просчитали судьбу таких пар — ультрахолодных и коричневых карликов, самых холодных и тусклых обитателей галактики. Раньше считалось, что обмен массой между ними невозможен: слишком хрупкие.

Представьте невидимый океан, состоящий из тёмной материи — сверхлёгких частиц, само существование которых впервые заподозрил Фриц Цвикки ещё в 1930-х годах.

Садовый шланг бьёт мощной струёй воды. Если его слегка пережать или дёрнуть, струя начинает извиваться, как змея, и брызги летят в стороны. Похожее происходит с гигантскими струями плазмы, которые выбрасывают чёрные дыры. Эти струи закручены магнитными полями и могут терять устойчивость, начиная колебаться.