Рождение бездны: почему в космических катастрофах обвинили новорожденные черные дыры

Быстрые радиовсплески — загадочные космические взрывы, за миллисекунды высвечивающие энергию, которую Солнце вырабатывает годами или даже эпохами. Несмотря на полтора десятилетия исследований, их природа все еще не ясна до конца. Недавно астрономы обнаружили, что один из радиовсплесков сопровождался всплеском гравитационных волн. Это привело ученых к выводу, что дело в столкновении нейтронных звезд — объектов размером с город и массой с Солнце. По версии исследователей, радиоволны испускаются, когда две такие махины сливаются и превращаются в черную дыру. Но и эта версия снимает отнюдь не все вопросы о происхождении таинственного явления.

Беспокойная Вселенная

Космос полон разрушительных катастроф. Звезды и их отгоревшие остатки взрываются как сверхновые, сталкиваются друг с другом, разрываются на части сверхмассивными черными дырами. Любое из подобных событий способно уничтожить целую планетную систему. К счастью, все эти катаклизмы происходят слишком далеко от Земли, чтобы ей угрожать. Да и вообще в каждой отдельно взятой галактике подобные взрывы случаются довольно редко. Но астрономы наблюдают колоссальное количество галактик, так что их отчеты полны всевозможными вспышками. 

Непросто разобраться, какой именно катаклизм произошел в миллиардах световых лет от Млечного Пути. На таком расстоянии не видно отдельных небесных тел. Телескопам не под силу различить предсверхновую до взрыва или пару звезд перед столкновением. Все, что есть у астрономов — сама вспышка. Именно то, что она видна на межгалактических расстояниях, говорит о выделении гигантской энергии.

Ежеминутные катаклизмы

Еще в 2007 году астрономы обнаружили новый вид космических вспышек — быстрые радиовсплески (fast radio bursts, FRB). Как следует из названия, это всплески радиоволн. На несколько миллисекунд ничем не примечательная точка неба превращается в один из сильнейших космических радиоисточников. К сегодняшнему дню обнаружены уже сотни FRB. Учитывая, что радиотелескопы не сканируют все небо 24/7, это может быть лишь вершиной айсберга. По некоторым оценкам, такие вспышки происходят по тысяче раз в сутки. Другими словами, ежеминутно где-то в доступной наблюдению Вселенной происходит космическая катастрофа. Но какая именно?

Энергия взрыва

В 2016 году астрономы впервые «вычислили» галактику-источник для одного из наблюдавшихся FRB. Сделать это было совсем не просто. Определить точку неба, из которой пришло излучение — только полдела. Ведь она дает только направление на объект, но не расстояние до него. В одном и том же направлении в бесконечной Вселенной может лежать сколько угодно галактик. В конце концов, не зная расстояния, нельзя исключать даже того, что катаклизм произошел в самом Млечном Пути.

Однако ученые определили, что излучение того, конкретного, добиралось до Земли около 5 млрд лет. Они использовали тот факт, что межгалактическое пространство — не совсем пустота. Оно заполнено очень разреженной плазмой. Короткие радиоволны распространяются через нее быстрее длинных и достигают телескопа раньше. Радиоимпульс FRB состоит из волн разной длины, которые были испущены одновременно, но пришли на Землю в разное время. Измерив эту задержку, можно вычислить, сколько световых лет, заполненных космической плазмой, пришлось преодолеть излучению. Точность у такого измерения небольшая, но в том направлении на подходящей дистанции от Земли была только одна галактика.

Зная наблюдаемую яркость вспышки и расстояние до ее источника, ученые оценили энергию взрыва: 10³¹–10³⁹ джоулей. Первую энергию Солнце излучает за сутки, а вторую — за сотни тысяч лет. То и другое меньше энергии типичной сверхновой (10⁴³–10⁴⁴ джоулей). Но вспышка сверхновой длится несколько дней или даже недель, а радиовсплеск, чем бы он ни был, продолжается миллисекунды.

Столкновение тяжеловесов

Природу быстрых радиовсплесков трудно выяснить еще и потому, что почти всегда они видны только в радиотелескопы. До самого недавнего времени не было известно никаких других излучений, которые можно было бы соотнести с FRB. Их активно ищут, но пока практически безуспешно.

Авторы нового исследования искали «двойников» FRB среди всплесков гравитационных волн. Гравитационные волны излучаются, когда сталкиваются две черные дыры, черная дыра с нейтронной звездой или две нейтронные звезды. Точнее, излучаются-то они и во многих других случаях, но нашим детекторам пока доступны только эти три типа событий. И столкновение двух нейтронных звезд — это возможный источник быстрого радиовсплеска.

Нейтронные звезды — самые плотные объекты во Вселенной, кубический сантиметр их вещества весит сотни миллионов тонн. Также это, вероятно, самые прочные и жесткие небесные тела, раз уж их вещество способно противостоять сжимающей его чудовищной гравитации. Но даже такой прочности есть предел. Если масса нейтронной звезды превысит 2,7 солнечной, она сожмется в черную дыру, к которой вообще с трудом применимо понятие «плотность».

При столкновении нейтронные звезды сливаются друг с другом в один объект. Если его масса окажется выше критической, он быстро станет черной дырой. При чем здесь FRB? Дело в том, что нейтронные звезды еще и самые мощные магниты во Вселенной. Их магнитные поля в миллионы раз сильнее тех, что с большим трудом и на краткие доли секунды создаются в земных лабораториях. Между тем законы физики запрещают черной дыре иметь магнитное поле. При превращении двух нейтронных звезд в одну черную дыру их поля вместе с заключенной в них чудовищной энергией должны куда-то деться. И этим «куда-то» вполне может быть быстрый радиовсплеск.

«Прочесав» данные, исследователи обратили внимание на всплеск гравитационных волн GW190425. Он был обнаружен детектором LIGO 25 апреля 2019 года. Судя по свойствам гравитационных волн, это было столкновение двух массивных нейтронных звезд. Два с половиной часа спустя радиотелескоп CHIME зафиксировал быстрый радиовсплеск FRB 20190425A. Пара часов — как раз подходящее время, чтобы продукт столкновения успел превратиться в черную дыру. Оба всплеска — гравитационный и радиовсплеск — пришли с одного и того же направления и прошли одно и то же расстояние с точностью до погрешности измерений. Другими словами, они произошли в одной точке.

Правда, все еще есть вероятность, что все это лишь случайное совпадение. Авторы оценивают ее в 0,5%. Это немного, но и более надежные результаты порой оборачивались «закрытиями». Есть еще один признак столкновения нейтронных звезд — вспышка гамма-лучей. Он ничего не сказал бы о FRB, но, по крайней мере, подтвердил бы, что нейтронные звезды действительно столкнулись. К сожалению, в нужный момент соответствующая точка неба не была в поле зрения ни одного гамма-телескопа.

Итак, с событием 25 апреля 2019 года, строго говоря, не все ясно. Однако уже в этом году детекторы гравитационных волн LIGO, VIRGO и KAGRA вновь начнут наблюдения после модернизации. При этом они станут более чувствительными, чем когда-либо прежде. Если гравитационный и радиовсплеск все же совпали не случайно, мы вправе ожидать еще многих таких совпадений в будущем.

Внешность обманчива

Допустим, что это открытие подтвердится. Закроет ли оно вопрос о природе быстрых радиовсплесков?

Отнюдь нет. Во Вселенной просто не хватит сталкивающихся нейтронных звезд, чтобы породить все наблюдаемые FRB. Но дело не только в этом. Еще в 2016 году был обнаружен первый повторяющийся радиовсплеск. Другими словами, радиовспышка многократно происходила в одной и той же точке неба. Такие «дубли» считаются не новыми FRB, а повторами первого всплеска в серии. Открыты уже десятки повторяющихся радиовсплесков, а общее число повторов исчисляется сотнями.

Казалось бы, все гипотезы о космических взрывах, столкновениях и тому подобных катаклизмах на этом можно закрыть. Пара нейтронных звезд не может столкнуться дважды, а тем более десятки раз. Однако на деле это означает лишь, что за FRB может стоять несколько явлений разной природы. Некоторые из этих них могут повторяться, а другие — нет.

Ученым уже известен более чем правдоподобный кандидат на источник повторяющихся FRB. Это опять-таки нейтронные звезды и их магнитные поля. Только на сей раз речь идет не о столкновении нейтронных звезд, а о бурных процессах в их магнитосфере. Эти явления достаточно энергичные, чтобы породить быстрый радиовсплеск, но они не разрушают нейтронную звезду и поэтому могут происходить многократно. В 2020 году наблюдатели зафиксировали импульс, очень похожий на FRB, но на порядок слабее. Он исходил от нейтронной звезды, расположенной в нашей Галактике. И эта звезда определенно никуда после этого не исчезла. Возможно, что те же процессы могут порождать и настоящие мощные FRB.

Астрономам не привыкать к коренным различиям, прячущимся за внешним сходством. Например, сверхновые типа Ia в телескоп выглядят очень похоже на все остальные сверхновые. Но, как показало пристальное изучение, они имеют совсем другую природу. Это не гибель массивной звезды, у которой только что закончилось топливо. Это термоядерный взрыв белого карлика — остатка давно отгоревшего светила. Да и белые карлики, в свою очередь, могут взрываться по разным причинам. Все эти детали были выяснены много позже, чем сверхновые были открыты и даже разделены по типам. И список подобных примеров можно продолжать. Таковы уж профессиональные трудности исследователей Вселенной, вынужденных наблюдать за своими объектами издалека.