Ще один аргумент на користь існування чорних дір з’явився 1967 року, коли кембридзька аспірантка Джоселін Бел-Бернел виявила в небі об’єкти, що випромінювали регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Бел та її науковий керівник Ентоні Г’юїш подумали, що вони, можливо, сконтактувалися з позаземною цивілізацією в Галактиці! Справді, я пам’ятаю, на семінарі, на якому оголосили про своє відкриття, вони назвали перші чотири виявлені джерела LGM 1–4 (абревіятура LGM означає «Little Green Men» — «Маленькі Зелені Чоловічки»). Однак згодом і першовідкривачі, і всі решта дійшли менш романтичного висновку, що ці об’єкти — яким дали назву «пульсари» — це насправді обертні нейтронні зорі, що випромінювали імпульси радіохвиль через складну взаємодію між їхніми магнетними полями та навколишньою матерією. Це була погана новина для авторів космічних вестернів, але дуже обнадійлива для вузького кола тих, хто тоді вірив в існування чорних дір: це був перший безсумнівний доказ того, що нейтронні зорі існують. Нейтронна зоря має радіус близько десяти миль — тільки в кілька разів більший за критичний радіус, при якому зоря перетворюється на чорну діру. Якщо зоря може стягнутися до такого малого розміру, то цілком можна припустити, що й інші зорі здатні стягнутися до ще меншого розміру і стати чорними дірами.
Як ми можемо сподіватися виявити чорну діру, що за означенням не випромінює світла? Це видається трохи схожим на те, як шукати чорну кішку в темній кімнаті. На щастя, є спосіб. Як зазначив Джон Мічел у своїй піонерській праці 1783 року, чорна діра все ж впливає гравітаційно на поблизькі об’єкти. Астрономи виявили чимало систем, де дві зорі обертаються одна навколо одної, притягувані силою тяжіння. Крім того, вони виявили системи тільки з однією видною зорею, що обертається довкола якогось невидного компаньйона. Однак не можна відразу ж зробити висновок, що цей компаньйон — чорна діра: можливо, це всього лиш занадто слабка зоря, якої не видно. Утім деякі з цих систем, зокрема Лебідь X-1 (рис. 6.2), до того ж потужні джерела Рентґенового проміння. Найкраще пояснення цього явища таке: з поверхні видної зорі зносилась речовина. Падаючи на невидного компаньйона, вона рухається по спіралі (немов вода, що витікає з ванни), дуже нагрівається, випромінюючи Рентґенове проміння (рис. 6.3). Такий варіянт розвитку подій потребує, щоб невидний об’єкт був крихітний, як білий карлик, нейтронна зоря або чорна діра. Найменшу можливу масу невидного об’єкта можна визначити зі спостережуваної орбіти видної зорі. У разі Лебедя X-l вона приблизно в шість разів перевищує масу Сонця, а згідно з обчисленнями Чандрасекара, це надто багато для невидного об’єкта, щоб він був білим карликом. Окрім того, це занадто велика маса для нейтронної зорі. Отож, видається, що це має бути чорна діра.
Рис. 6.2. Яскравіша з двох зір поблизу центра світлини — Лебідь Х-1, що, як вважають, складається з чорної діри і звичайної зорі, які обертаються одна навколо одної.
Існують інші моделі, щоб пояснити систему Лебедя X-1, що не містять чорної діри, але всі вони досить надумані. Чорна діра — ось, видається, єдине справді природне пояснення цих спостережень. Попри це, я таки заклався з Кіпом Торном із Каліфорнійського технологічного інституту, що насправді Лебідь X-1 не містить чорної діри! Так я застрахувався. Адже я присвятив багато зусиль чорним дірам — і все буде марно, якщо виявиться, що чорних дір не існує. Але в такому разі я виграю заклад і втішуся — адже чотири роки отримуватиму журнал «Приватний детектив» (Private Eye). Насправді, хоч ситуація з Лебедем X-1 практично не змінилася, відколи ми 1975 року заклалися, однак тепер є стільки даних спостережень на користь чорних дір, що я визнав свою поразку. І заплатив передбачений штраф — передплатив Кіпові на рік журнал «Пентгауз» (Penthouse) — щоб пообурювалась його емансипована дружина.
Ми також тепер маємо докази для низки інших чорних дір у системах на кшталт Лебедя X-1 у нашій Галактиці й у двох сусідніх галактиках — Маґеланових Хмарах. Звісно, що чорних дір майже напевно набагато більше; за довгу історію Всесвіту багато зір мали спалити все своє ядерне паливо та сколапсувати. Кількість чорних дір цілком може бути навіть більша, ніж число видних зір — а їх налічується сотня мільярдів тільки в нашій Галактиці. Така величезна кількість чорних дір створює додаткове гравітаційне притягання — і це може пояснити, чому наша Галактика обертається саме з наявною швидкістю, адже маси видних зір недосить, щоб забезпечити її. Ми маємо також деякі докази, що в центрі нашої Галактики є набагато більша чорна діра, маса якої десь у сотню тисяч разів перевищує масу Сонця. Зорі в Галактиці, що проходять занадто близько від цієї чорної діри, будуть розриватися різницею у гравітаційних силах на їхній прилеглій та відлеглій стороні. Їхні рештки та газ, скинутий іншими зорями, полетять у бік чорної діри. Як і у разі з Лебедем X-l, газ рухатиметься по спіралі та нагріватиметься, хоч і не так сильно. Його температури не вистачить для того, щоб випромінювати Рентґенове проміння, а от щоб стати компактним джерелом радіохвиль та інфрачервоного проміння, що його ми спостерігаємо у центрі галактики, — цілком.
Рис. 6.3.
Вважають, що подібні, тільки ще більші чорні діри, маса яких десь у сотню мільйонів разів перевищує масу Сонця, розташовані в центрах квазарів. Наприклад, спостереження, проведені за допомогою телескопа Габла, галактики, відомої як M87, виявили, що там міститься диск газу розміром 130 світлових років упоперек, який обертається довкола центрального об’єкта, маса якого у два мільярди разів перевищує масу Сонця. Це може бути тільки чорна діра. Єдине джерело, здатне забезпечити величезну кількість енергії, що її випромінюють ці об’єкти, — це матерія, яка падає у надмасивну чорну діру. Коли матерія рухається по спіралі до чорної діри, вона змушує ту обертатися в тому ж напрямі, приводячи до створення магнетного поля на кшталт того, що має Земля. Матерія, що падає, створює поблизу чорної діри дуже високоенергетичні частинки. Магнетне поле буде таке потужне, що воно може сфокусувати ці частинки у струмини, викидувані назовні вздовж осі обертання чорної діри, тобто в напрямах її північного та південного полюсів. Такі струмини справді спостережені в низці галактик і квазарів. Можна також розглянути можливість того, що існують чорні діри, з масою набагато меншою, ніж у Сонця. Такі чорні діри не могли б утворитися шляхом гравітаційного колапсу, адже їхні маси менші за Чандрасекарову границю: зорі з такою малою масою можуть опиратися тяжінню навіть після того, як вичерпають ядерне паливо. Чорні діри з малою масою можуть утворитися, тільки якщо матерія стиснеться до величезних густин під дією дуже великих зовнішніх тисків. Такі умови можуть виникнути у величезній водневій бомбі: фізик Джон Вілер якось вирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх світових океанів, то можна було б створити водневу бомбу, яка так сильно стисне речовину в центрі, що утвориться чорна діра. (Звісно, нікого не залишиться, щоб це побачити!) Практичніша можливість полягає в тому, що такі чорні діри з малою масою утворилися в умовах високих температур і тиску в дуже ранньому Всесвіті. Чорні діри могли з’явитися, тільки якщо ранній Всесвіт не був ідеально гладкий і однорідний, бо тільки невелика щільніша, ніж у середньому, область може бути стиснута так, щоб утворилася чорна діра. Натомість ми знаємо, що тоді існували певні неоднорідності, бо інакше матерія у Всесвіті була б до сучасної епохи розподілена ідеально рівномірно, а не згрупована разом у зорі та галактики.
Чи неоднорідності, необхідні, щоб пояснити утворення зір та галактик, привели й до утворення істотного числа «первісних» чорних дір, безумовно, залежить від особливостей умов у ранньому Всесвіті. Тож якби ми змогли визначити, скільки тепер у Всесвіті первісних чорних дір, ми чимало дізналися б про найранніші етапи Всесвіту. Первісні чорні діри, маса яких перевищує мільярд тон (масу великої гори), можна виявити тільки завдяки їхньому гравітаційному впливу на іншу, видну, матерію чи на розширення Всесвіту. Однак у дальшому розділі ми дізнаємося, що чорні діри врешті не зовсім й чорні — вони світяться як гаряче тіло. І що вони менші, то сильніше світяться. Тому, хоч як це парадоксально, менші чорні діри, може статися, легше виявити, ніж великі!