Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Как образуются сверхмассивные черные дыры – загадка. Но даже гораздо меньшие черные дыры звездной массы, которые, как мы теперь знаем, рождаются из сколлапсировавших и умерших массивных звезд, еще недавно были просто математическими концепциями и курьезами. В 1916 году математик Карл Шварцшильд решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна для сферической массы (их решением был ставший ныне знаменитым “радиус Шварцшильда” черной дыры). А в 1958 году физик из Технологического института Джорджии Дэвид Финкельштейн показал, что черные дыры имеют воображаемую границу, которую он назвал горизонтом событий, причем все объекты, включая свет, попавшие под эту границу, обратно вырваться не могут – и для них остальная Вселенная навсегда становится недоступной.

Тем не менее на протяжении десятилетий черные дыры – как имеющие звездную массу, так и сверхмассивные – были просто теоретическими (хотя и общепризнанными) концепциями. Только в середине XX века астрономы начали собирать доказательства их существования, в частности, ими стали первые наблюдения квазаров. Галактический источник рентгеновского излучения Лебедь X-1 был открыт в 1964 году, а позже ученые определили, что, скорее всего, он является черной дырой. Обнаружение LIGO гравитационных волн от столкновения двух черных дыр звездной массы 14 сентября 2015 года тоже оказалось очень полезным. Теперь, получив изображение с помощью обсерватории EHT, мы знаем, что сверхмассивные черные дыры тоже существуют в реальности.

Но как они стали такими большими? Ученые не знают, хотя есть предположение, что они возникли при слияниях множества черных дыр звездной массы (то есть порядка десятков или сотен солнечных масс), которые могли произойти в ранней Вселенной. При слияниях они прирастали поглощаемым газом, увеличивая свою массу, что в конечном  итоге привело к появлению сверхмассивных черных дыр⁹.

Считается, что в течение эволюции Вселенной галактики тоже сталкивались и сливались. Наш собственный Млечный Путь, например, находится в процессе сближения с соседней галактикой Андромеда. Через 4,5 миллиарда лет они сольются. Гораздо дальше от Земли, на расстоянии около миллиарда световых лет, астрономы даже обнаружили редкую систему из трех галактик, названную SDSS J0849 + 1114, причем каждая из них имеет свою собственную сверхмассивную черную дыру. Создается впечатление, что эти три галактики готовятся к феерическому столкновению¹⁰.

Когда галактики сливаются таким образом, их центральные черные дыры тоже должны слиться и превратиться в еще более сверхмассивного гиганта (особенно если поблизости есть третья черная дыра, которая может подтянуть их ближе друг к другу). Компьютерное моделирование показывает, что по-настоящему массивные черные дыры могли испытать до двадцати слияний за время своей жизни. Черная дыра галактики M87 тоже могла претерпеть несколько слияний, поскольку она в миллиарды раз массивнее Солнца или любой черной дыры звездной массы. В то же время астрономы считают, что сверхмассивная черная дыра постепенно приобретает большую часть своей массы, заглатывая межзвездный газ, который падает на нее, когда в ее родительскую галактику вторгается другая галактика. “Мы не вполне точно знаем, какой из этих двух факторов важнее: аккреция (поглощение) газа или слияние”, – говорит Скотт Рэнсом, астроном из Национальной радиоастрономической обсерватории и Университета Вирджинии.

Пока все это теоретические рассуждения, но считается, что, когда галактики сливаются, спиральное падение и окончательное столкновение их сверхмассивных черных дыр должны провоцировать распространение гравитационных волн во всех направлениях. Мы знаем, что массивные тела в космосе нарушают ткань пространства-времени, создавая воронки. Отдельно расположенная масса сама по себе не приводит к излучению гравитационных волн, но движение двух ускоряющихся масс друг относительно друга может это сделать. Чем больше возмущение, тем сильнее пространство-время реагирует на него, посылая более мощные волны.

Как я писала ранее, Халс и Тейлор привели косвенные свидетельства существования гравитационных волн, когда заметили сужающуюся орбиту у пульсара в открытой ими двойной системе. Затем, в сентябре 2015 года, LIGO уловил гравитационные волны непосредственно от слияния двух черных дыр звездной массы. А Марика Бранчези узнала о гравитационных волнах, возникших при первом наблюдаемом столкновении двух нейтронных звезд, утром 17 августа 2017 года после ночи, проведенной в больнице в Урбино на родах сестры.