И благодаря новой технике и набору наблюдений мы думаем, что точно знаем, где их найти.
В центре практически каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, где в одном месте собирается материал массой в миллионы или даже миллиарды солнечных масс. Однако их должно окружать не только множество быстро движущихся звезд, но и десятки тысяч меньших черных дыр, образовавшихся из трупов массивных звезд, которые должны были существовать в окрестностях галактического центра. Когда мы обследовали пространство вокруг Стрельца А, чудовища Млечного Пути с массой в четыре миллиона солнечных, мы обнаружили повсюду звезды, пыль, газ и электромагнитное излучение, как и ожидали, за одним исключением: нет. доказательств существования этих меньших черных дыр. Ожидалось более десяти тысяч в области шириной всего в шесть световых лет с центром в Стрельце A, но ни одной не было найдено. До тех пор, пока не был использован новый хитрый метод, идентифицировавший дюжину из них только в прошлом году. Подразумевается, что все эти черные дыры действительно существуют, и теперь у нас есть идея, как их найти.
Область пространства, окружающая черную дыру в центре нашей галактики, заполнена материалом, который можно наблюдать только за пределами спектра видимого света. Хотя звездных источников, излучающих свет, несомненно, много, пыли, заполняющей плоскость нашего Млечного Пути, более чем достаточно, чтобы заблокировать практически весь свет, который пройдет 25 000 световых лет, необходимых для того, чтобы достичь наших глаз. Но на более длинных волнах инфракрасное и радиоизлучение могут проникнуть внутрь, обнаруживая присутствие звезд и газа, тогда как на более коротких длинах волн рентгеновские лучи могут сообщить нам огромное количество информации об источниках энергии и происходящих там событиях.
Когда мы исследуем окружающую среду вокруг Стрельца A, мы видим большое количество звезд, вращающихся вокруг центральной черной дыры, а также случайные вспышки, когда черная дыра поглощает различные комки материи. Из того, что мы наблюдаем, мы можем сделать вывод, на что похоже пространство в этой области пространства: оно полно материи, способно активно формировать звезды и богато тяжелыми элементами. Присутствующие газ и пыль являются идеальной средой для активного звездообразования, и именно это предсказывают наши лучшие теории. Звезд, которые там образуются, должно быть великое множество, они должны иметь самые разные массы и должны производить большое количество сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр. Вот откуда мы получаем оценки, что в радиусе около 3 световых лет от Стрельца A должно быть где-то около 10 000-20 000 черных дыр.
Тем не менее, несмотря на это предсказание, нам очень трудно увидеть эти черные дыры. Для этого есть веская причина: большинство из них очень трудно наблюдать, поскольку они не излучают никакого излучения, к которому мы были бы чувствительны. Для изолированных черных дыр, которые являются единственной звездой в своей системе, нет хорошего способа обнаружить их. Но для черных дыр, которые находятся в двойных системах, где звезда и черная дыра вращаются вокруг друг друга, есть умный способ найти их: искать яркую вспышку рентгеновского излучения, которую могут создавать эти системы. По словам астрофизика Чака Хейли:
Это очевидный способ поиска черных дыр. Но центр Галактики находится так далеко от Земли, что эти вспышки достаточно сильны и ярки, чтобы их можно было увидеть примерно раз в 100-1000 лет.
Поскольку нам не повезло, нам нужен был новый метод.
Именно здесь на помощь пришла команда Хейли. Вместо того, чтобы искать двойную систему со звездой и черной дырой в активном, вспыхивающем состоянии, они поняли, что можно искать гораздо более низкое (но все еще присутствующее) рентгеновское излучение, которое должно существовать, когда эти системы неактивны. Хейли продолжила:
Было бы так просто, если бы двойные черные дыры регулярно испускали большие вспышки, как двойные нейтронные звезды, но они этого не делают, поэтому нам пришлось придумать другой способ их искать… когда черные дыры сопрягаются со звездой с малой массой, брак испускает рентгеновские вспышки, которые слабее, но последовательны и поддаются обнаружению.
Чтобы увидеть такой эффект, потребуется огромное количество времени для наблюдения галактического центра в рентгеновских лучах, и без четкой цели такое предложение не получит одобрения. Но у команды Хейли был козырь: эти данные уже существовали благодаря рентгеновской обсерватории Чандра.
Чандра время от времени наблюдала за галактическим центром большую часть 19 лет. Изучив полный набор архивных данных, они смогли сделать невероятную находку: рентгеновские сигнатуры неактивных двойных систем «черная дыра/звезда» появлялись 12 раз независимо друг от друга. Учитывая, что до сих пор мы обнаружили только около 60 черных дыр в Млечном Пути, это представляет собой огромное увеличение, но есть гораздо больше. Эти 12 систем черных дыр/звезд находились в пределах 3 световых лет от Стрельца A, и их существование позволяет нам сделать нечто еще более мощное: вывести общее количество черных дыр, существующих в этом регионе. Основываясь на собранных данных, в этом регионе должно быть где-то от 300 до 500 двойных черных дыр и звезд, и примерно 10 000 изолированных черных дыр в этой самой окрестности.
Это потрясающая находка, которую мы смогли сделать только в пределах нашего собственного Млечного Пути. Зная, что вокруг нашей собственной сверхмассивной черной дыры находится около 10 000 черных дыр, мы можем сделать вывод о том, что происходит в центре каждой галактики со сверхмассивной черной дырой: тысячи и тысячи обычных черных дыр находятся на орбите. В 2030-х годах Европейское космическое агентство запустит космическую антенну лазерного интерферометра (LISA) - космический детектор гравитационных волн с гораздо более длинным плечом. В отличие от плотных маломассивных систем с коротким периодом, к которым чувствителен LIGO, LISA впервые сможет обнаруживать долгопериодические спирали и слияния обычных черных дыр вокруг сверхмассивных в центрах галактик.
Это исследование имеет огромное значение, поскольку оно дает нам первое реальное свидетельство того, что будет искать LISA, что еще больше мотивирует нас искать эти события, которые, как мы теперь знаем, должны существовать. В отличие от черных дыр LIGO, эти вдохновляющие события дадут нам недели, месяцы или даже годы на подготовку, что позволит нам точно определить, где и когда нам нужно посмотреть, чтобы увидеть эти слияния. Это первое подтверждение теории о том, что вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик должны существовать десятки тысяч черных дыр, и оно позволяет нам лучше предсказать, сколько событий гравитационных волн мы можем увидеть исходящими от них.
Вся информация, которая нам нужна, существует в центрах галактик, включая нашу собственную. Впервые мы можем быть уверены, что черные дыры - это не просто космическая редкость, они существуют в огромном количестве в каждой галактике по всей Вселенной.