В танцевальном зале темно. Женщина в белом. Мужчина в черном. При тусклом боковом освещении женщину можно разглядеть, но мужчина невидим. Они кружатся по залу. По тому, как движется женщина, мы понимаем, что ее обнимает невидимый партнер. Двойные звезды находятся в подобных тесных «объятиях» и так же «не замечают» окружающей Вселенной. Если пара звезд сильно разнесена и находится не слишком далеко от Земли, мы можем увидеть обе звезды и просто пронаблюдать за их движением, чтобы измерить орбиту. Это визуально-двойные звезды. Гораздо чаще звезды находятся далеко, и астрономы не видят их как отдельные тела, но спектроскопия показывает, что линии поглощения каждой звезды попеременно сдвигаются в сторону более длинных и более коротких длин волн, демонстрируя периодическое доплеровское смещение, вызванное орбитальным движением. Это спектрально-двойные звезды. Если один из компонентов двойной системы является черной дырой, приходится работать с неполной информацией, поскольку на спектрограмме видны только линии поглощения видимой звезды.
Как и в случае с танцующей парой, движение видимой звезды указывает на движение невидимой спутницы. Есть, однако, две серьезные проблемы. Во-первых, нам нужно узнать массу видимой звезды. То есть определить расстояние до двойной системы, чтобы вычислить светимость, или количество фотонов, излучаемых звездой каждую секунду. Затем эти показатели, а также температура поверхности звезды (определяемая по ее цвету) и ускорение силы тяжести на ее поверхности (определяемое по форме линий спектра) загружаются в сложную модель структуры звезды и производства энергии в ней – и мы получаем ожидаемую массу.
Во-вторых, проблемой является наша точка наблюдения. Спектроскопия измеряет доплеровское смещение, то есть круговое движение навстречу наблюдателю – или от него. В полной мере этот эффект проявляется, если мы наблюдаем двойную систему «с торца» – когда орбита перпендикулярна плоскости неба, – поскольку при каждом прохождении орбиты одна звезда движется строго навстречу нам, а другая – строго от нас. Если же двойная система расположена плашмя – орбита лежит в плоскости неба, доплеровский эффект не обнаруживается, поскольку все перемещения происходят в поперечном направлении. Двойные системы в космическом пространстве ориентированы случайным образом, и тут возникает дополнительная сложность – мы не знаем угол наклона. Но есть и плюсы: при всех углах наклонения доплеровское смещение занижает орбитальную скорость, поскольку, как правило, частично движение идет не по лучу зрения. Поэтому, вычисляя массу звезды, астрономы, как правило, могут определить только ее нижнюю границу. Но этого достаточно, поскольку наша цель – доказать, что у невидимого компаньона есть минимальная масса и потому он является черной дырой
[78].
Подлинные черные дыры
Слово «астрономия» ассоциируется у нас с удивительными изображениями, полученными космическим телескопом «Хаббл». Но многие открытия при исследовании Вселенной были сделаны благодаря спектроскопии – методу разложения света на составляющие цвета. Спектр помог Ньютону понять природу света. В начале 1800-х гг. молодой ученый Йозеф Фраунгофер, выросший в приюте под присмотром сурового наставника, едва не погибший при взрыве стекольной фабрики, где он работал, впервые детально рассмотрел солнечный спектр и обнаружил в нем данные, говорящие о химическом составе Солнца. Сто лет спустя группа низкооплачиваемых сотрудниц Обсерватории Гарвардского колледжа занялась просмотром тысяч спектров на фотографических пластинках, чтобы собрать информацию и понять, из чего состоят звезды и каков реальный размер Вселенной
[79].
За свою карьеру астронома я просматривал тысячи спектров, и в каждом ждали головоломка или сюрприз. Это ключевой инструмент измерения расстояния до звезды и определения ее химического состава, он дает возможность заглянуть в центры галактик, где протекают мощнейшие процессы. Каракули, возникшие на экране после ночи астрономических наблюдений, нарисованы светом, попавшим в телескоп, разделенным спектрографом на тонкие полосы и падающим на кремниевый полупроводниковый приемник света, или ПЗС-матрицу. ПЗС-матрица обращает фотоны в электроны, а затем – в электрический сигнал, который преобразуется в карту интенсивностей на разных длинах волн.
Однажды ночью на Гавайях на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа (4200 м над уровнем моря) я вел наблюдения через телескоп. Данные ПЗС-матрицы были представлены в виде горизонтальных полос на экране компьютера. Мое внимание привлекла одна бледная полоса. Темные промежутки на цифровом анализаторе спектра указывали на дальнюю галактику, состоящую из тех же элементов, что и Млечный Путь. Я мог представить ее вращение, тип звезд, из которых она состояла, и количество газа в межзвездном пространстве. Красное смещение спектральных линий говорило о том, что галактика находится в 10 млрд световых лет и что этот свет начал свой путь сюда задолго до формирования Земли. Я знал, что, излучая свет, эта тусклая галактика удалялась от Млечного Пути быстрее скорости света из-за стремительного расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Поскольку Вселенной управляет общий, а не специальный принцип относительности, пространство может расширяться быстрее скорости света! К стыду своему, в тот момент я даже не восхитился тем фактом, что в моем распоряжении были такие данные о Вселенной. Я редко ставил под сомнение логику рассуждения и основы научного метода, ставшие фундаментом всего того, что я знал.
Спектроскопия – ключ к пониманию двойных звезд и их орбит. Она позволяет астрономам достаточно точно измерять массу невидимого компаньона двойной системы – что подтверждает реальность чудовищ Эйнштейна. Существует не так много «патентованных» двойных систем, где невидимый компонент имеет достаточную массу, чтобы являться черной дырой, и любая другая гипотеза их не объясняет. Давайте ближе познакомимся с эталонным объектом – Лебедем Х-1.
На летнем земном небе мы видим созвездие Лебедя, парящее высоко над нашими головами. Сосредоточимся на области возле центра креста, образующего тело лебедя. В хороший бинокль можно разглядеть бело-голубую звезду в неплотной группе горячих молодых звезд, сформировавшихся одновременно. Пять миллионов лет назад, когда наши предки-приматы образовали новую ветвь на древе эволюции, эти звезды сгустились из коллапсирующего облака газа и пыли. Интересующая нас бело-голубая звезда находится в 6000 световых лет возле края соседнего спирального рукава Млечного Пути. Это колоссальное расстояние – 32 000 трлн км. Звезда должна быть чрезвычайно яркой – чтобы мы легко увидели ее с такого расстояния, и излучать в 400 000 раз больше энергии, чем Солнце. Это старый свет. Он покинул звезду, когда на нашей планете проживало менее миллиона человек, а в Северной Америке не совсем вымерли мамонты.
