Тайны Мироздания. История про Лебедя X 1

Как учёные впервые «поймали» чёрную дыру: история про Лебедя X 1
Представь, что ты детектив, и твоя задача — найти преступника, которого никто никогда не видел, но тебе точно доложили, что он где-то существует. При этом ещё добавили, что ты тоже не можешь его разглядеть, поскольку он просто невидим, возможно пользуется «шапкой-невидимкой». Согласись, непростая задача! С чего надо начинать? Наверное, надо начать с поиска следов его преступной деятельности. Вот также поступили и астрономы. Они начали искать следы деятельности невидимых чёрных дыр. А чем они могут наследить? Ну конечно же в первую очередь мощнейшей гравитацией! А если у них супергравитация, то, как это можно заметить?  Правильно, по воздействию на рядом расположенные объекты… Именно так астрономы и охотились за чёрными дырами.
Космический сигнал
В 1964 году учёные запустили в небо небольшую ракету с особыми детекторами — не для того, чтобы фотографировать звёзды, а чтобы ловить невидимые лучи: рентгеновские. Это как суперзрение, которое видит то, что обычный глаз не замечает. И вот, когда ракета поднялась высоко, детекторы вдруг «закричали»: в созвездии Лебедя нашёлся невероятно мощный источник рентгеновского света, расположенный на расстоянии около 7000 световых лет от нас! Его назвали Cygnus X 1 (Лебедь X 1).
Звёздная пара
Дальше началось самое интересное. Астрономы стали изучать этот участок неба и обнаружили: там живёт непонятная звёздная пара. Одна звезда — огромная, яркая, голубая, словно гигантская ёлочная игрушка в Космосе. Учёные дали ей имя HDE 226868. А рядом с ней прятался — кто-то невидимый, но который оказывал на неё конкретное воздействие. Он качал этот голубой гигант. По тому, как сильно и как быстро голубая звезда качалась, астрономы смогли посчитать, сколько весит этот её сосед невидимка, который тянет её к себе.
 К 1974 году расчёты показали: он тяжелее Солнца примерно в 21 раз! А это слишком много для обычной звезды и даже для нейтронной звезды (это такие сверхплотные «остатки» звёзд). Значит, это могла быть только чёрная дыра. И это стало первым убедительным доказательством существования чёрной дыры звёздной массы. Вероятно, звезда сколлапсировала непосредственно в чёрную дыру, минуя взрыв сверхновой. 
Радиус горизонта событий такой чёрной дыры, согласно вычислениям, должен иметь  всего лишь 300 км  «в качестве верхней границы линейного размера области источника».
Второй компонент этой системы видимая звезда голубой сверхгигант с переменным блеском HDE 226868 массой примерно 19 масс Солнца, а её радиус примерно в 20 раз больше нашего светила. Это молодая звезда, возрастом около 5 миллионов лет, о чём свидетельствует её химический состав (отсутствие тяжёлых элементов). Температура поверхности звезды: около 31 000 Кельвина (поэтому она голубая), из-за этого у неё очень мощная светимость: она ярче нашего Солнца примерно в 30 - 40 тысяч раз. Переменность светимости происходит из-за приливного взаимодействия с её компаньоном - чёрной дырой, которая пытается тянуть её  к себе, и при этом форма звезды искажается (она становится каплевидной), и при вращении её блеск меняется примерно на 0,06 звёздной величины с периодом около 5,6 дня, то есть это указывает на орбитальный период этой двойной системы. Объекты находятся на расстоянии около 0,2 астрономической единицы друг от друга. а составляет примерно 5,6 дня. Ещё учёные выяснили, что сама чёрная дыра крутится как волчок — её горизонт событий делает больше 800 оборотов в секунду! Почти на пределе возможного.
Откуда берётся яркий свет, если сама дыра чёрная?
Вот тут начинается настоящая космическая магия. Голубая звезда такая огромная и горячая, что от неё постоянно срываются потоки газа — учёные называют это «звёздным ветром». Чёрная дыра своим мощным притяжением ловит этот газ и закручивает его вокруг себя в огненный вихрь — аккреционный диск. Представь воронку в ванне: вода стекает вниз, но перед этим крутится всё быстрее и быстрее. Так и газ: он несётся вокруг чёрной дыры с бешеной скоростью, трётся сам о себя, сжимается и раскаляется до миллионов градусов. От такой жары он начинает ярко светиться — в том числе теми самыми рентгеновскими лучами, которые и поймали детекторы на ракете.
А ещё чёрная дыра не просто «ест» газ — она умеет его выплёвывать. Из её полюсов вырываются мощные струи раскалённой плазмы — их называют джетами. Это как дым из трубы, только вместо дыма — раскалённый газ, летящий почти со скоростью света. Причём эти струи не всегда летят ровно вверх и вниз: как в нашем случае сильный звёздный ветер от голубой звезды толкает джеты, и они отклоняются от перпендикулярного положения к плоскости диска и изгибаются, также, как и дым из обычной трубы в ветренную погоду. Причём на примере чёрной дыры Лебедь Х-1 астрофизикам впервые удалось выяснить сколько же дыра съедает, а сколько выплёвывает (если по научному, то удалось подтвердить коэффициент эффективности превращения падающей материи в кинетическую энергию выброса): чёрные дыры действительно возвращают около 10% энергии аккреции обратно в космос, тем самым управляя процессом рождения звёзд в своих галактиках через такой механизм возврата энергии. Получается, чёрная дыра — не просто «космический пылесос», а ещё и важная часть жизни Вселенной: формирования звёзд из газовых облаков, создавая в них необходимое сжатие.
Как учёные всё это разглядели
Чтобы увидеть, винтовую структуру джетов и как они изгибаются под ударами звёздного ветра, астрономам пришлось проделать огромную работу. Они собрали тысячи снимков, сделанных за последние два десятилетия, и сложили их вместе — как будто складывают кусочки пазла. Этот метод называется «стекинг». Так они смогли разглядеть даже очень тусклые детали: например, слабый джет, который летит от нас, и понять, насколько он изогнут. Оказалось, что плазма в джете мчится со скоростью до 76 % от скорости света, сохраняя при этом удивительную стабильность — это невероятно быстро!
Процесс формирования джетов пока оставляет много загадок:
Что именно разгоняет плазму до релятивистских скоростей? Есть две главные теоретические модели: энергия берётся из вращения самой чёрной дыры (модель Блэндфорда — Знаека) и энергию отдаёт аккреционный диск (модель Блэндфорда — Пэйна). Но, скорее всего, работает микс механизмов.
Почему джеты сохраняют узкую форму на огромных расстояниях. В теории магнитное поле должно помогать коллимировать (сужать) поток, но учёные до конца не понимают, как именно поле вблизи чёрной дыры приобретает такую чёткую, устойчивую конфигурацию и удерживает её, пока плазма летит через космос.
Почему джет иногда меняет направление? Наблюдения показали: за относительно короткое по космическим меркам время (миллионы лет) ось джета может заметно сместиться, иногда почти на 90 градусов. Учёные связывают это с разными факторами: нестабильностью самого аккреционного диска; эффектом, когда вращающаяся чёрная дыра «увлекает» за собой пространство-время, и если ось вращения дыры не совпадает с осью диска, это может «качать» джет (эффект Лензе — Тирринга) или даже наличием двойной чёрной дыры.
Почему у некоторых чёрных дыр джетов вообще нет? Например, у Стрельца A* в центре нашей Галактики в спокойном состоянии джетов не наблюдается, хотя чёрная дыра вращается. Стандартная модель объясняет это слабой аккрецией (мало падающего вещества), но учёные ищут более фундаментальное объяснение: какие именно условия внутри системы «включают» и «выключают» механизм формирования джета.
Интересно, что в 1975 году физики Стивен Хокинг и Кип Торн заключили шутливое пари: Хокинг ставил на то, что Cygnus X-1 не чёрная дыра. Он признал своё поражение в 1990 году, когда накопилось ещё больше наблюдательных подтверждений.
Исследования Лебедя X-1 продолжаются с использованием данных космических миссий (RXTE, NICER, CHANDRA, INTEGRAL и др.).