Якщо ми спостерігаємо, наприклад, подвійну систему, кожна зоря буде половину орбіти рухатися до нас, а другу половину — від нас. З її зорею-компаньйоном усе буде точнісінько навпаки. Якщо обидві зорі досить яскраві, ми побачимо в спектрі червоне і блакитне зміщення ліній поглинання. Це означатиме, що перед нами подвійна зоря. Але лінії поглинання зміщуватимуться в спектрі внаслідок руху зорі вздовж орбіти. Наприклад, якщо період обертання зорі становить двадцять років, кожна лінія поглинання пройде повний шлях за цей термін (десять років спостерігатиметься червоне зміщення, і ще десять — фіолетове).
Якщо ми бачимо тільки червоне (або тільки фіолетове) зміщення ліній спектра, то все одно можемо зробити висновок, що це подвійна зоря, якщо лінії рухаються то в один, то в інший бік. Час, за який лінії проходять повний цикл, буде періодом обертання зорі. Коли таке відбувається? У випадку, якщо одна зоря занадто тьмяна, щоб її можна було побачити із Землі у видимих променях.
А тепер повернімося до наших рентгенівських джерел.
Шкловський і не тільки
У далекому 1967 році радянський фізик Йосип Шкловський запропонував модель для джерела Скорпіон Х-1. «За всіма характеристиками, ця модель відповідає нейтронній зорі в стані акреції. [...] Природна й дуже ефективна подача речовини для такої акреції відбувається за рахунок потоку газу, що перетікає від вторинного компонента тісної подвійної системи до первинного, який є нейтронною зорею».
Розумію, що ці рядки, можливо, не приголомшать вас. Цьому не сприяє і те, що сформульовані вони досить сухою технічною мовою астрофізики. Але саме так розмовляють між собою фахівці практично в будь-якій сфері. Моя мета на лекціях і головна причина, чому я написав цю книжку, — перекласти справді приголомшливі, новаторські, а часом навіть революційні відкриття моїх колег-фізиків такою мовою, яку зможуть збагнути розумні й допитливі аматори, тобто збудувати міст між світом науковців і вашим світом. Здається, багато хто з нас надає перевагу тому, щоб говорити тільки з колегами, і тому більшості людей — навіть тим, хто дуже хоче зрозуміти науку, — надзвичайно складно потрапити в наш світ.
Отже, візьмімо ідею Шкловського й погляньмо, що він запропонував: подвійна зоряна система, що складається з нейтронної зорі та зорі-компаньйона, речовина з якої перетікає на нейтронну зорю. У такому разі нейтронна зоря буде «в стані акреції». Інакше кажучи, вона прирощуватиме речовину від компаньйона — зорі-донора. Дивна ідея, еге ж?
Як виявилося, Шкловський мав рацію. Але ось що цікаво: він говорив тільки про Скорпіон Х-1, і більшість з нас не надто серйозно сприйняла його ідею. Але таке часто стається з теоріями. Я не думаю, що ображу своїх колег-теоретиків, якщо скажу, що в астрофізиці переважна кількість теоретичних припущень виявляються помилковими. Тому ті, хто працює в царині спостережної астрофізики, зазвичай не звертають на них особливої уваги.
Виявляється, що акреціювальні нейтронні зорі створюють ідеальні умови для виникнення рентгенівських променів. А як ми з’ясували, що Шкловський не помилявся?
Тільки на початку 1970-х астрономи визнали подвійну природу деяких рентгенівських джерел , але це не означало, що всі вони були акреціювальними нейтронними зорями. Першим свої таємниці відкрило джерело Лебідь Х-1, і воно виявилося одним з найважливіших у рентгенівській астрономії. Відкрили його під час польоту ракети в 1964 році. Це надзвичайно яскраве й потужне джерело випромінювання і досі привертає увагу рентгенівських астрономів.
Потім, у 1971 році, радіоастрономи зафіксували радіохвилі від Лебідь Х-1. Їхні радіотелескопи визначили розташування джерела в межах ділянки неба (квадрата похибки) площею приблизно 350 квадратних кутових секунд, що в 20 разів менше, ніж квадрат похибки, який отримують, відстежуючи рентгенівське випромінювання. Астрономи почали шукати його оптичний відповідник. Інакше кажучи, вони хотіли побачити у видимому світлі зорю, яка створювала ці загадкові рентгенівські промені.
У межі квадрата похибки потрапив дуже яскравий блакитний надгігант, відомий як HDE 226868. З огляду на те, що це була зоря, астрономи могли порівняти її з іншими дуже схожими зорями й досить точно обчислити масу. П’ять астрономів, зокрема і всесвітньо відомий Алан Сендидж, дійшли висновку, що HDE 226868 просто «звичайний надгігант класу B0, без якихось особливостей», відкинувши припущення, що це оптичний відповідник джерела Лебідь Х-1. Утім інші (на той час не такі відомі) оптичні астрономи дослідили зорю ретельніше і зробили кілька надзвичайно важливих відкриттів.
Вони виявили, що ця зоря входить до подвійної системи з періодом обертання 5,6 дня. Сильний потік рентгенівського випромінювання від цієї подвійної системи, як вони правильно визначили, зумовлений акрецією газу від оптичної зорі (донора) на дуже малий — компактний — об’єкт. Тільки перетікання газу на масивний, але дуже маленький об’єкт могло пояснити щедрий потік випромінювання.
Вони виміряли зміщення ліній поглинання в спектрі зорі-донора під час її руху вздовж орбіти (пригадуєте: коли вона рухається до Землі, лінії спектра зміщуються у фіолетовий бік, а коли від Землі — у червоний) і дійшли висновку, що зоря-компаньйон, джерело рентгенівського випромінювання, занадто масивна, щоб бути нейтронною зорею або білим карликом (інший тип компактної, дуже щільної зорі, схожої на Сіріус В). Ну, якщо це ні те ні інше і щось навіть масивніше за нейтронну зорю, що ж це могло бути? Звісно, чорна діра! Саме це вони і припустили.
Утім, будучи вченими-спостерігачами, вони сформулювали свої висновки обережніше. Луїза Вебстер і Пол Мердін, чий звіт було опубліковано в журналі Nature від 7 січня 1972 року, висловилися так: «Оскільки маса зорі-компаньйона, очевидно, більше ніж дві маси Сонця, отже, ми припускаємо, що цей об’єкт може бути чорною дірою». А ось що написав Том Болтон за місяць у Nature: «Це дозволяє говорити про реальну можливість того, що вторинний компонент [акретор] — чорна діра». У вклейці ви можете побачити художнє зображення джерела Лебідь Х-1.
Таким чином, три чудові астрономи — Вебстер і Мердін із Великої Британії та Болтон із Торонто — спільно відкрили рентгенівські подвійні зорі та знайшли першу чорну діру в нашій Галактиці. (Болтон так цим пишався, що кілька років їздив на машині з номерним знаком Cyg X-121).
Мені завжди видавалося дивним, що їм не присудили жодної важливої премії за це феноменальне відкриття. Урешті-решт, вони поцілили в яблучко, і були першими! Вони заскочили першу рентгенівську подвійну зорю. І заявили, що акретором може бути чорна діра. Чудова робота!
У 1975 році не хто інший, як сам Стівен Гокінґ, побився об заклад із другом, фізиком-теоретиком Кіпом Торном, що Лебідь Х-1 — ніяка не чорна діра, хоча більшість астрономів на той час вважали саме так. Через 15 років Гокінґ визнав, що програв парі, думаю, із превеликим задоволенням, бо більшість його досліджень були пов’язані із чорними дірами. За останніми й найточнішими даними, маса чорної діри в Лебідь Х-1 приблизно становить 15 мас Сонця (мені це відомо із приватної розмови з Джеррі Оросом і моїм колишнім студентом Джеффом Макклінтоком).
Уважні читачі вже, напевно, подумали: «Стривайте-но! Щойно ви сказали, що чорні діри нічого не випромінюють і ніщо не може вирватися з їхнього гравітаційного поля. Як вони можуть бути джерелами рентгенівських променів?». Чудове запитання, на яке я обіцяю відповісти, але спершу анонс: рентгенівські промені виходять не із простору, обмеженого горизонтом подій, — їх випромінює речовина, що падає в чорну діру. Хоча чорна діра пояснювала те, що ми бачили, спостерігаючи за джерелом Лебідь Х-1, вона не могла пояснити особливостей рентгенівського випромінювання від інших подвійних зір. Для цього були потрібні нейтронні зорі, які виявили за допомогою чудового супутника «Ухуру» (Uhuru).
У грудні 1970 року на орбіту вийшов перший супутник, призначений тільки для спостереження за рентгенівським випромінюванням. Запустили його з полігону в Кенії в сьому річницю її незалежності, і назвали «Ухуру», що мовою суахілі означає «свобода».
