Как астрономы обнаруживают космические объекты, которые невозможно увидеть в телескоп?

Вселенная полна объектов, которые невозможно непосредственно разглядеть даже с помощью самых мощных телескопов. Некоторые практически не испускают электромагнитного излучения, другие скрыты за плотными облаками газа и пыли, а третьи находятся настолько далеко, что их собственный свет слишком слаб для наблюдения. Тем не менее астрономы умеют обнаруживать такие объекты по косвенным признакам: изменению движения звёзд, колебаниям яркости, искривлению света и даже возмущениям пространства-времени. Благодаря этим методам учёные находят планеты за пределами Солнечной системы, исследуют далёкие галактики и изучают чёрные дыры.

Как обнаружить объект, который не излучает свет?

При изучении космоса важно учитывать, что человеческий глаз воспринимает лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Видимый свет занимает сравнительно узкий диапазон. Между тем космические объекты могут испускать радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи.

Поэтому астрономы используют телескопы разных типов. Оптические приборы регистрируют видимый свет, радиотелескопы принимают радиоволны, а специальные обсерватории исследуют инфракрасное, рентгеновское и гамма-излучение. Некоторые из них размещают в космосе, поскольку земная атмосфера поглощает значительную часть излучения отдельных диапазонов.

Например, плотные облака космической пыли могут закрывать видимый свет от расположенных за ними звёзд. Однако часть инфракрасного излучения проходит через такие области значительно эффективнее. Благодаря этому астрономы исследуют области звездообразования и наблюдают объекты, которые трудно рассмотреть в обычный оптический телескоп.

Существуют и небесные тела, которые практически невозможно обнаружить по собственному электромагнитному излучению. Один из самых известных примеров — чёрная дыра.

Её гравитация настолько сильна, что за определённой границей, называемой горизонтом событий, даже свет не может выбраться наружу. Поэтому получить изображение того, что находится внутри этой области, невозможно. Однако вещество, приближающееся к чёрной дыре, может сильно нагреваться и испускать интенсивное излучение. Кроме того, гравитация чёрной дыры влияет на движение соседних звёзд и других космических объектов.

Для обнаружения невидимого небесного тела необязательно получать его непосредственное изображение. Достаточно зарегистрировать физические явления, которые оно вызывает. Именно на этом принципе основаны несколько важных методов современной астрономии.

Четыре способа обнаружить невидимые космические объекты.

1. Наблюдение за движением звёзд и планет.

Массивные небесные тела обладают гравитацией и влияют на движение объектов поблизости. Если астрономы замечают, что звезда движется по необычной траектории, они пытаются установить, какие силы действуют на неё.

Особенно интересны ситуации, когда видимая звезда движется вокруг невидимого массивного объекта. По скорости движения и форме орбиты можно рассчитать массу тела, которое оказывает гравитационное воздействие.

Именно таким способом учёные исследовали центральную область Млечного Пути. Они наблюдали за звёздами, которые обращаются вокруг компактного объекта в центре нашей галактики. Измерения показали, что там сосредоточена масса примерно в четыре миллиона раз больше массы Солнца. При этом она занимает чрезвычайно малую область пространства по астрономическим меркам.

Совокупность наблюдений позволила установить, что в центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A*.

2. Измерение изменений яркости и излучения.

Ещё один способ обнаружения космических объектов связан с наблюдением за изменениями яркости звёзд и других источников излучения. Иногда невидимое тело проходит перед звездой и закрывает небольшую часть её поверхности. В результате наблюдаемая яркость звезды немного уменьшается.

Этот принцип используют при поиске экзопланет — планет, расположенных за пределами Солнечной системы. Если снижение яркости повторяется через определённые промежутки времени, астрономы могут предположить, что вокруг звезды обращается планета. По продолжительности и глубине падения яркости удаётся оценить некоторые характеристики небесного тела, в частности его размер.

Другой пример связан с двойными звёздными системами. В некоторых из них одна звезда обращается вокруг невидимого массивного объекта. Наблюдая за движением звезды и анализируя особенности системы, исследователи могут установить, что рядом находится компактное тело, которое практически не излучает свет.

Особенно информативно рентгеновское излучение. Если газ с соседней звезды начинает притягиваться чёрной дырой, он может сформировать вокруг неё вращающийся диск вещества — аккреционный диск. При движении и сжатии газ сильно нагревается и испускает мощное рентгеновское излучение. Саму чёрную дыру при этом непосредственно не видно, но наблюдения за окружающим веществом помогают установить её присутствие.

3. Гравитационное линзирование.

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, массивные тела искривляют пространство-время. Это влияет и на распространение света: лучи от далёких источников могут менять направление, проходя рядом с массивным объектом.

Если между Землёй и далёкой звездой оказывается массивное небесное тело, его гравитация способна изменить видимое положение звезды или усилить её яркость. Такое явление называется гравитационным линзированием.

В некоторых случаях эффект напоминает работу оптической линзы: изображение далёкого источника света искажается, увеличивается или приобретает необычную форму. Если объект, вызывающий искривление света, сам практически не излучает, его всё равно можно обнаружить по изменениям изображения фоновой звезды или галактики.

Особенно интересен вариант, называемый микролинзированием. Когда массивный невидимый объект проходит на фоне далёкой звезды, её наблюдаемая яркость на некоторое время увеличивается. По характеру изменения света астрономы могут оценить некоторые свойства объекта, вызвавшего эффект.

Этот метод помогает находить планеты, удалённые звёздные системы и возможных кандидатов в одиночные чёрные дыры. Однако одного изменения яркости обычно недостаточно, чтобы однозначно установить природу обнаруженного объекта. Для этого требуются дополнительные измерения.

4. Регистрация гравитационных волн.

Один из самых необычных способов изучения невидимых космических объектов связан с регистрацией гравитационных волн. Они представляют собой распространяющиеся возмущения пространства-времени, возникающие при движении массивных тел с изменяющимся распределением массы.

Особенно мощные сигналы появляются при сближении и слиянии двух чёрных дыр или нейтронных звёзд. Перед столкновением объекты обращаются друг вокруг друга, постепенно сближаясь. В процессе они излучают гравитационные волны, которые распространяются по Вселенной со скоростью света.

На Земле такие сигналы регистрируют специальные установки, в том числе обсерватории LIGO и Virgo. Их оборудование позволяет измерять чрезвычайно малые изменения расстояний между зеркалами интерферометров, вызванные прохождением гравитационной волны.

По форме зарегистрированного сигнала учёные могут определить, какие объекты участвовали в событии, оценить их массы и проследить основные этапы сближения и слияния. Это позволяет исследовать даже те космические процессы, которые практически невозможно наблюдать с помощью обычных телескопов.

14 сентября 2015 года обсерватория LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. Об открытии официально объявили 11 февраля 2016 года. Это событие стало началом новой области астрономии, в которой Вселенную изучают не только по электромагнитному излучению, но и по гравитационным сигналам.

Как учёные находят чёрные дыры, если их нельзя увидеть?

Чёрные дыры особенно хорошо показывают, насколько разнообразными могут быть методы астрономических исследований. В зависимости от окружения и характеристик объекта учёные используют разные способы его обнаружения.

Чёрная дыра находится рядом со звездой. Если звезда обращается вокруг невидимого массивного объекта, астрономы могут измерить скорость её движения и особенности орбиты. По этим данным рассчитывают массу второго тела. Если чёрная дыра притягивает газ звезды, вокруг неё может сформироваться аккреционный диск, который становится источником интенсивного рентгеновского излучения. Совместное изучение движения звезды и излучения окружающего вещества помогает установить природу невидимого объекта.

Чёрная дыра находится в центре галактики. В этом случае исследователи наблюдают за звёздами, движущимися в центральной области. Чем ближе звезда подходит к массивному объекту, тем сильнее проявляется его гравитационное влияние. Измеряя орбиты нескольких звёзд, астрономы могут оценить массу центрального тела и определить, насколько компактно оно расположено.

Именно таким образом удалось получить убедительные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A* в центре Млечного Пути.

Две чёрные дыры сближаются и сливаются. В этом случае важнейшую информацию дают гравитационные волны. Их регистрация позволяет установить, что в далёкой части Вселенной произошло слияние компактных массивных объектов. По характеристикам сигнала исследователи рассчитывают массы участников события и параметры образовавшегося объекта.

Есть и ещё один интересный пример — проект Event Horizon Telescope (EHT). Это международная сеть радиотелескопов, объединённых для наблюдения за центральными областями чёрных дыр с очень высоким угловым разрешением. Благодаря совместной работе приборов, расположенных в разных частях Земли, учёные получили возможность исследовать чрезвычайно мелкие детали этих объектов.

В 2019 году исследователи представили первое изображение тени чёрной дыры M87*, расположенной в центре галактики Messier 87. В 2022 году было опубликовано изображение Стрельца A* в центре Млечного Пути.

На этих изображениях видна яркая структура излучающего газа вокруг центральной тёмной области. Светящееся кольцо образовано горячей плазмой, а тёмная область в центре соответствует тени чёрной дыры. Её видимый размер и форма связаны с сильным искривлением света гравитацией объекта и захватом части излучения.

Таким образом, астрономы получили возможность исследовать окрестности чёрных дыр с помощью зарегистрированного радиоизлучения, а не только по движению окружающих звёзд.

Почему для подтверждения открытия недостаточно одного наблюдения?

В астрономии необычный сигнал или странное движение звезды ещё не означают, что учёные обнаружили новый космический объект. Одно и то же явление может иметь несколько объяснений.

Например, изменение яркости звезды может быть связано с прохождением планеты, затмением со стороны другой звезды, наличием пылевого облака или особенностями самой звезды. Необычная траектория небесного тела тоже требует дополнительного изучения: на его движение могут влиять несколько соседних объектов.

Поэтому исследователи стараются получить как можно больше независимых данных. Они проводят повторные наблюдения, сравнивают результаты разных телескопов, анализируют спектры излучения и рассчитывают возможные варианты движения небесных тел.

Если речь идёт о предполагаемой чёрной дыре, важно проверить, соответствует ли наблюдаемая масса компактного объекта расчётам, можно ли объяснить движение соседних звёзд его гравитацией и согласуются ли с этой гипотезой данные об излучении окружающего вещества.

Дополнительную уверенность дают результаты, полученные разными методами. Например, движение звёзд может указывать на существование массивного компактного объекта, а наблюдение рентгеновского излучения помогает исследовать процессы в его непосредственной близости.

Современная астрономия позволяет изучать Вселенную гораздо шире, чем простое наблюдение за светящимися объектами. Движение звёзд, изменения яркости, искривление света и гравитационные волны дают учёным возможность исследовать тела, которые невозможно увидеть обычным способом.

Благодаря этим методам астрономы обнаруживают планеты у далёких звёзд, изучают структуру галактик, находят чёрные дыры и регистрируют события, происходившие миллиарды лет назад. Многие из этих открытий стали возможны благодаря развитию точных измерительных приборов и способности исследователей правильно интерпретировать едва заметные физические эффекты.

Отсутствие видимого изображения космического объекта ещё не означает, что он останется неизвестным науке. Даже самые далёкие и малоизученные небесные тела могут оставлять измеримые следы своего присутствия.

Материал подготовлен проектом MaxProsto.ru
Автор: Савелий Котовски