скорость вращения

Миллион орбит — одна и та же партитура. Девять гало тёмной материи — девять оркестров без дирижёра. Все музыканты играют по одним нотам, но в каждом зале музыка звучит иначе: где-то стройно, где-то с рассинхронизацией. Так и спутниковые галактики, падая в гало хозяина, движутся по орбитам, которые зависят не только от массы, но и от формы невидимой сцены.

Это как рекорд в беге на короткую дистанцию: чтобы побить его, нужна идеальная разбежка. Но у субмиллисекундных пульсаров разбежка слишком коротка. Самый быстрый известный пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду — быстрее кухонного блендера. Если бы он был размером с Землю, точка на его экваторе двигалась бы со скоростью около 0,24 скорости света.

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, летящих от Солнца. В нём есть два главных компонента: протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра гелия, вчетверо тяжелее).

Представьте карусель: чем дальше от центра сидите, тем быстрее вас везёт. Долгое время считалось, что галактики устроены иначе — звёзды на окраинах должны вращаться медленнее, чем вблизи ядра. Однако ещё в 1970-х астрономы, измеряя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили: у многих спиральных галактик скорость звёзд почти не падает с удалением от центра.

Галактика напоминает город: в центре — яркие огни и плотная застройка, а к окраинам — редкие огни и пустота. Однако если проследить за вращением газа в галактическом диске, обнаружится, что на окраинах скорость почти не падает. Будто невидимые кварталы продолжают поддерживать движение. Астрономы нашли способ нанести этот невидимый город на карту.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

Космический объект вращается, но его тень — область, откуда не выходит свет, — не обладает идеальной округлостью. Астрофизики рассмотрели чёрную дыру в рамках нестандартной теории гравитации — так называемого мира на бране, где наша Вселенная представляет собой трёхмерную поверхность, погружённую в пространство большего числа измерений.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Чёрная дыра — не идеальный космический пылесос, а динамический объект, окружённый сложной средой из частиц и полей, которая влияет на её эволюцию. В новом исследовании астрофизики смоделировали поведение массивного векторного поля — гипотетической формы тёмной материи, состоящей из частиц с ненулевым спином, — в окрестности вращающейся чёрной дыры.

В самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

В 26 000 световых лет от Земли, в сердце Млечного Пути, звезда S301 мчится сквозь пространство на скорости 18 000 километров в секунду. Она огибает сверхмассивную чёрную дыру Sgr A* по вытянутой орбите. В точке наибольшего сближения звезду отделяют всего 280 гравитационных радиусов — примерно как от Солнца до Урана. Для сравнения, предыдущий рекордсмен S2 держался вдесятеро дальше.

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.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

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.

В мае 2020 года детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационный всплеск GW200105. Среди множества подобных гравитационных волн этот выделялся странностью: орбита столкнувшихся нейтронной звезды и чёрной дыры оказалась не идеальным кругом, а вытянутым эллипсом.

Астрофизики десятилетиями выстраивали стройную картину: галактика, подобно гигантской карусели, вращается в едином ритме, и расположенная в её центре сверхмассивная чёрная дыра наследует этот танец.

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.

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно на небе. Её тень ложится на светящийся фон из падающего вещества и хранит отпечаток самой геометрии пространства. Если гравитация устроена хоть немного иначе, чем мы привыкли думать, тень это выдаст. В новой работе физики проследили за лучами света в окрестностях вращающейся чёрной дыры в так называемой гравитации Расталла.

Когда две сверхплотные звезды кружатся в тесном танце, пространство вокруг них дрожит. Эту дрожь — гравитационные волны — ловят гигантские детекторы на Земле. Но расшифровать сигнал непросто: нужно понять, с чем именно мы столкнулись — с парой чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Человек на старой фотографии стоит в толпе и при этом кружится — угадать его возраст почти невозможно. Примерно так астрономы определяют возраст и массу далёких звёзд и часто ошибаются. Для звёзд, которые немного тяжелее Солнца (от 1,4 до 2,5 его масс), обычные методы вроде «часов» по химическому составу работают плохо.

В аккреционных дисках, опоясывающих ядра активных галактик — квазаров, открытых ещё Маартеном Шмидтом в далёких 1960-х, — бурлит река из раскалённого газа и пыли. В её заводях, где утихают турбулентные потоки, вопреки всему рождаются планеты.

В центрах галактик, где сверхмассивные чёрные дыры дремлют в окружении звёздных роёв, иногда вспыхивают огни чудовищной силы — приливные разрушения. Но некоторые из этих событий ведут себя необычно: повторяются снова и снова, и каждое новое возгорание тусклее предыдущего.

Когда свет проходит вблизи чёрной дыры, он попадает в мощную гравитационную ловушку: траектория фотонов искривляется так сильно, что частицы начинают метаться по почти замкнутым орбитам, словно шарики в пинбольном автомате.

Волчок крутится с огромной скоростью и вместо ровного жужжания издаёт тихое гудение — потому что он чуть-чуть помят. Примерно так работают нейтронные звёзды: шары размером с город, сжатые до такой плотности, что чайная ложка их вещества весит как гора.

Водоворот в реке затягивает всё вокруг. Если добавить в воду невидимый кисель, который густеет у самой воронки и внезапно исчезает на её краю, получится примерное устройство чёрной дыры в новой математической модели. Вокруг неё — плотное облако тёмной материи, резко обрывающееся у горизонта событий (границы, за которую уже ничто не возвращается).

Эйнштейн и Розен вообразили мост, соединяющий два листа реальности. Уилер дал ему имя — кротовой норой, а Торн с Моррисом доказали: туннель проходим, если заполнить его экзотической материей.

Гигантская воронка крутится с огромной скоростью. Если бросить в неё верёвку, закрепив один конец на краю, а другой оставив снаружи, воронка начнёт наматывать верёвку на себя, заставляя её вращаться. Примерно так ведёт себя космическая струна рядом с вращающейся чёрной дырой.

Гало нашей Галактики — это огромное разреженное облако из старых звёзд, окутывающее знакомый нам диск. Оно хранит историю о том, как Млечный Путь рос, поглощая соседние карликовые галактики.

Свет, отражённый от раскалённого диска вокруг чёрной дыры, может рассказать о ней больше, чем мы думали. Когда диск излучает тепло, часть этого света отражается обратно на диск и рассеивается, приобретая необычное распределение энергии — как будто к обычному свечению добавляется новый компонент, похожий на степенной закон.

Радиопульсар J1574+4703 — это звезда, которая ведёт себя как капризный маяк. Вместо того чтобы светить постоянно, она включает свой радиолуч короткими вспышками, а потом надолго замолкает. Такие объекты называют «вращающимися радиотранзиентами» — сокращённо RRAT.

Галактика похожа на гигантскую карусель: звёзды и газ кружатся вокруг центра, и скорость их движения выдаёт, сколько всего вещества в этой карусели. Если бы мы видели только светящуюся материю, внешние части вращались бы медленнее, чем показывают наблюдения. Значит, есть невидимая масса — тёмная материя, которая держит галактику вместе.

В 2019 году детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния далёких объектов. Один из них был чёрной дырой в 23 массы Солнца. Второй весил всего 2,5 солнечных массы — и это странно. Обычно нейтронные звёзды не бывают тяжелее двух масс Солнца: при большей массе они сжимаются в чёрную дыру.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

Звезда вроде Солнца гудит, как колокол: внутри неё звуковые волны заставляют поверхность едва заметно дрожать. По этой дрожи астрономы, словно врачи по пульсу, судят о температуре, плотности и возрасте звезды. Но телескоп «Кеплер» заметил странность: у многих звёзд, которые крутятся быстро и покрыты пятнами, дрожи не слышно. Будто у них пропал голос.

В холодных облаках газа и пыли, где когда-нибудь зажгутся звёзды, часть атомов потеряла электроны и стала заряженной. Заряженные частицы чувствуют магнитное поле, а нейтральные — нет, поэтому одни проскальзывают сквозь другие, как вода сквозь сито. Астрономы измерили скорость этого проскальзывания: около ста метров в секунду. Немало — быстрее гоночной машины. Но почему именно столько?

Космический телескоп Gaia измерил, насколько быстро крутятся более ста тысяч звёзд. Оказалось, что скорость вращения зависит от температуры звезды. У звёзд холоднее 6500 градусов поверхность движется со скоростью 10–20 километров в секунду. Но стоит звезде стать горячее, как скорость резко подскакивает до 100 километров в секунду.

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.