Як саме явище чорні діри здаються чудними будь-кому, а особливо астрофізикам, які їх досліджують (зокрема, мої колишні аспіранти Джеффрі Макклінток і Джон Міллер). Нам відомо, що існують чорні діри з масою зорі. Їх відкрили в 1971 році, коли оптичні астрономи показали, що Лебідь Х-1 — подвійна система, а одна з двох зір — чорна діра! Про це я розповім у наступному розділі. Готові?
19 У чорних дір, що обертаються, горизонт подій не сферичний, а сплюснутий — ширший біля екватора.
20 У 2019 році було одержано перше в історії зображення горизонту подій — видимої межі чорної діри в сузір'ї Діви, віддаленої від нас більше ніж на 50 мільйонів світлових років. Її маса перевищує масу Сонця в 6,5 мільярда разів, а діаметр горизонту подій становить 20 мільярдів кілометрів, що більше ніж утричі перевищує відстань від Сонця до Плутона. — Прим. наук. ред.
Розділ 13
Небесний балет
Вас уже не здивує той факт, що більшість зір, які ви бачите на небі в будь-який телескоп чи без нього, — не просто віддалені версії добре знайомого нам Сонця. Вони значно складніші. Можливо, ви не знали, що приблизно третина того, що ви спостерігаєте, навіть не поодинокі зорі, а так звані подвійні системи — пов’язані силами тяжіння пари зір, що обертаються одна навколо одної. Інакше кажучи, коли ви дивитеся на нічне небо, приблизно третина зір, які ви бачите, подвійні, навіть якщо зовні вони схожі на поодиноку зорю. Існують навіть потрійні зоряні системи, в яких три зорі обертаються одна навколо одної, хоча їх набагато менше. Багато яскравих рентгенівських джерел у нашій Галактиці виявилися подвійними зорями, тому я часто мав з ними справу. Вони дивовижні.
Обидві зорі, що входять до подвійної системи, обертаються навколо так званого центра мас системи — точки, розташованої між ними. Якщо зорі мають однакову масу, то цей центр перебуватиме на однаковій відстані від центра обох, а якщо маса різна — ближче до масивнішої зорі. Оскільки обидві зорі здійснюють повний оберт за однаковий час, у більш масивної зорі повинна бути нижча орбітальна швидкість.
Щоб унаочнити цей принцип, уявіть гриф гантелі з дисками однакової маси, що обертаються навколо своєї середньої точки. А тепер уявіть гантель, у якої на одному кінці один кілограм, а на другому — п’ять. Центр мас цієї гантелі буде ближче до важчого кінця, тому коли вона обертатиметься, у важчого диска буде менша орбіта, а легшому за той самий час доведеться пройти більшу відстань. Якщо замість дисків уявити зорі, ви побачите, що легша зоря мчатиме орбітою в п’ять разів швидше за свою громіздкішу компаньйонку.
Якщо одна із зір значно масивніша за другу, центр мас системи може навіть лежати всередині масивнішої зорі. У випадку Землі й Місяця (які теж утворюють подвійну систему) центр мас розташований у надрах Землі на глибині приблизно 1600 кілометрів. (Я згадую про це в додатку 2).
Сіріус, найяскравіша зоря на небі (віддалена приблизно на 8,6 світлового року), також є подвійною системою, що складається із двох зір, відомих як Сіріус А і Сіріус В. Вони роблять повний оберт навколо спільного центра мас приблизно за 50 років (це їхній період обертання).
Як розпізнати подвійну зорю? Побачити її нарізно неозброєним оком неможливо. Утім залежно від відстані до подвійної зорі й потужності використовуваних телескопів, часом ми можемо одержати візуальне підтвердження, побачивши дві зорі окремо.
Відомий німецький математик і астроном Фрідріх Вільгельм Бессель передбачив, що найяскравіша зоря на небі, Сіріус, є подвійною і складається з видимої та невидимої зір. Такого висновку він дійшов, спираючись на свої точні астрономічні спостереження: у 1838 році Бессель першим виміряв паралакс зорі (трохи випередивши Гендерсона — див. розділ 2). У 1844 році у знаменитому листі Александру фон Гумбольдту він писав: «Я дотримуюся переконання, що зоря Сіріус — подвійна система, що складається з видимої та невидимої зір. Немає причин вважати, що світність є невід’ємною ознакою космічних тіл. Видимість незліченної кількості зір не виключає невидимості безлічі інших». Це надзвичайно глибока думка. Зазвичай ми не віримо в існування того, чого не бачимо. Бессель започаткував так звану астрономію невидимого.
«Невидиму» зорю-компаньйона (Сіріус В) по-справжньому побачили тільки в 1862 році, коли в моєму рідному місті Кембридж (штат Массачусетс) Алван Кларк випробовував новісінький 18,5-дюймовий телескоп (це був найбільший на той час телескоп, виготовлений компанією його батька). Щоб протестувати телескоп, він спрямував його на Сіріус, який сходив над обрисами Бостона, і виявив Сіріус В, який у 10 000 разів тьмяніший, ніж Сіріус А.
Хвала небесам за астроспектроскопію: фіолетове і червоне зміщення
Щоб визначити, чи входять зорі до подвійної системи, особливо якщо вони віддалені, найчастіше застосовують спектроскопію та вимірюють зміщення, що виникає в результаті так званого ефекту Доплера. Спектроскопія чи не найпотужніший інструмент астрофізики, а ефект Доплера — одне з найважливіших астрономічних відкриттів за останні кілька століть.
Ви вже знаєте, що об’єкти з достатньо високою температурою випромінюють видиме світло (випромінювання чорного тіла). Розкладаючи сонячне світло, дощові краплі, що утворюють веселку (див. розділ 5), демонструють неперервну послідовність кольорів від червоного до фіолетового, яку називають спектром. Якщо розкласти світло від зорі, ми також побачимо спектр, але його кольори не завжди матимуть однакову інтенсивність. Прохолодніша зоря, наприклад, буде червонішою (і її спектр також). Температура Бетельгейзе (в сузір’ї Оріона) лише 2000 кельвінів. Це одна з найчервоніших зір на небі. З іншого боку, Беллатрікс, також у сузір’ї Оріона, має температуру 28 000 кельвінів. Це одна з найбільш блакитних і найяскравіших зір, яку часто називають «Зірка амазонок».
Якщо уважно придивитися до зоряних спектрів, можна побачити вузькі проміжки, на яких кольори слабкі або взагалі відсутні. Це лінії поглинання. У спектрі Сонця таких ліній тисячі. Вони з’являються через те, що в атмосфері зір присутні багато різних елементів. Атоми, як ви знаєте, складаються з ядра й електронів. Електрони не можуть мати якусь довільну кількість енергії. Вони перебувають на енергетичних рівнях з певними дискретними значеннями — їхня енергія не може бути проміжною на цих визначених рівнях. Інакше кажучи, їхня енергія «квантована» — це поняття дає початок квантовій механіці.
Атом нейтрального водню має один електрон. Якщо опромінювати його світлом, цей електрон може перестрибнути на вищий енергетичний рівень, поглинувши енергію світлового фотона. Але через дискретність енергетичних рівнів електрона станеться це не з будь-якими фотонами, а лише з тими, що мають конкретну енергію (а отже, конкретну частоту і довжину хвилі), що дозволить електрону здійснити квантовий стрибок з одного рівня на інший. Цей процес, що називають резонансним поглинанням, знищує фотони, і тому їхні частоти відсутні в неперервному спектрі. Такі пропуски називають лініями поглинання.
Водень може створити у видимій частині зоряного спектра чотири лінії поглинання (на точно відомих довжинах хвилі, тобто кольорах). Більшість елементів утворює значно більше ліній, тому що їхні атоми містять набагато більше електронів. По суті, кожному елементу властиве унікальне поєднання ліній поглинання, за яким їх можна ідентифікувати. Вони дуже добре вивчені й виміряні в лабораторіях. Отже, ретельно дослідивши лінії поглинання в зоряних спектрах, ми можемо визначити, які елементи є в атмосфері зорі.
Утім, коли зоря рухається від нас, унаслідок ефекту Доплера весь її спектр (включно з лініями поглинання) зміщується в червоний бік (це так званий червоний зсув). Якщо спектр, навпаки, зміщується у фіолетовий бік, то зоря рухається до нас. Точно вимірявши, наскільки змістилися лінії поглинання, ми можемо обчислити швидкість зорі відносно Землі.
