Черные дыры

Изложены новейшие данные по определению масс черных дыр в рентгеновских двойных звездных системах. К настоящему времени известно 10 рентгеновских двойных систем, содержащих массивные (с массой более трехсолнечных) рентгеновские источники - кандидаты в черные дыры. Замечательно, что ни у одного из них не наблюдается феноменов рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера I типа.

Как известно, черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса где G - постоянная тяготения, c - скорость света, М - масса тела. Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли - около 9 мм.

Общая теория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее - наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную, и даже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен он внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр в природе часто ставится под сомнение. Однако, забегая вперед, отметим, что, согласно новейшим наблюдательным данным, черные дыры действительно существуют и им присущи удивительные свойства.

КАК ОБРАЗУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Известно, что если масса ядра звезды, претерпевшего изменения химического состава из-за термоядерных реакций и состоящего в основном из элементов группы железа, превышает 1,4 солнечной массы M, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в результате которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронного вещества. Огромные силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны обладают полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться только один нейтрон.

При сжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается до гигантских значений - порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3M) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда, остывая коллапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру. Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до 10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины - порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошо известные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причем число известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучение через посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят за счет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: сильное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, то экранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феномену рентгеновского пульсара - строго периодической переменности рентгеновского излучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсации радио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды есть сильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердая поверхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, черная дыра не имеет ни твердой поверхности, ни сильного магнитного поля.

Для звезд, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают три солнечных, ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давление вещества при больших плотностях как бы само "весит": чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях, согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривления пространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды.

Черные дыры с очень большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому, существуют в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных черных дыр наметился существенный прогресс в связи с использованием космического телескопа им. Хаббла и применения методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Кроме того, теория предсказывает возможность существования первичных черных дыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Мы ограничимся рассмотрением лишь черных дыр звездной массы, образовавшихся на конечных этапах эволюции массивных (с массами в десятки солнечных) звезд.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР

Известно, что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Наблюдая движение звезд - компонент двойной системы и применяя законы Кеплера, вытекающие из закона тяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом, поскольку размеры орбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационных радиусов компонент, для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронных звезд и черных дыр в двойных системах, вполне достаточно использования закона тяготения Ньютона. Мы не рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, где громадная точность определения моментов прихода радиоимпульсов позволяет наблюдать релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековое укорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.

Оптическая звезда в двойной системе является не только пробным телом в гравитационном поле черной дыры, позволяющим измерить ее массу, но также своеобразным донором, поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду или черную дыру). Аккреция этого вещества на релятивистский объект приводит к разогреву плазмы до температур в десятки и сотни миллионов градусов и к появлению мощного рентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощного энерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 году Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккреции вещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита в начале 70-х годов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д. Новикова и К.С. Торна.

НОВЕЙШИЕ ДАННЫЕ

Обнаружена одна из ближайших к Солнечной системе черных дыр, которая образовалась в результате старения и последующей гибели звезды класса голубой гигант. И впервые довольно точно удалось вычислить ее орбиту обращения вокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

Черная дыра была обнаружена благодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – более малой звезды.

Открытие было сделано в результате наблюдений радиотелескопов Национального Научного общества (VLBA), объединенных в систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой вместе со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательством подтверждения открытия послужили оптические снимки, сделанные на Паломарской Обсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры было измерено.

Результаты исследований были сообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнала “Природа”.

Объект называется XTE J1118+480 и был обнаружен спутником Rossi X- 29 марта 2000 года. Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне показали, что черная дыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарную систему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируя горячий вращающийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесс сопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.

Большинство звезд в нашей Галактике - Млечный Путь, находятся в пределах галактической плоскости. Однако, также имеются шаровые звездные скопления, которые содержат сотни тысяч самых старых звезд в Галактике, и которые находятся вне плоскости Галактики. XTE J1118+480 подобно таким шаровым скоплениям, перемещающимся со скоростью 145 километров в секунду относительно Земли, совершает замысловатые петли вокруг Галактики. Эта черная дыра образовалась в результате смерти массивной звезды, которая по классу была на уровне голубого гиганта. Такие звезды, когда полностью выработают свой ресурс, либо взрываются как новые звезды, оставляя после себя ядро оболочки в виде нейтронной звезды, либо заканчивают путь “гравитационным хлопком” сжатия, образуя черную дыру.

Эта черная дыра имеет массу, больше солнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться до существующей скорости, ей потребовался толчок ускорения, который могла дать только гравитационная сила общей массы шарового звездного скопления, из которого она когда-то и была выброшена.

Расположенная неподалеку от Млечного Пути галактика Centeurus A имеет в своем центре массивную черную дыру. Это удалось установить международной команде астрономов из Южной Европейской Обсерватории, проводивших наблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чили. Измерения позволили определить массу черной дыры - около 200 миллионов масс Солнца. Галактика Centaurus A, известная также как NGC 5128, удалена от Земли на 11 миллионов световых лет. Это один из самых изученных объектов Вселенной. Как галактика она была каталогизирована в 1847 году британским астроном Джоном Гершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованием всего набора астрономических инструментов. О том, что в центре галактики находится черная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолько массивна.

Дж.Моран (J.Moran; Астрофизический центр в Кембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что ему удалось обнаружить сверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от нас спиральной галактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения, создаваемом молекулами воды газовых облаков, которые подвергаются воздействию интенсивной радиации.

Сопоставляя скорость движения космических облаков с их расположением, Моран установил, что они обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобно планетам вокруг Солнца. По значениям скоростей удалось вычислить массу притягивающего центра: она оказалась близкой к 36 млн М*! Причем вся эта гигантская масса сосредоточена в области, поперечник которой менее 1 светового года. Такими характеристиками может обладать только черная дыра.

Источники мазерного излучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 внешней периферии диска (или сферы - на этот счет среди астрофизиков нет единого мнения). Однако на столь значительных расстояниях, как в данном случае, наиболее вероятна, по общему мнению, форма диска. Мазеры располагаются там по S-образной кривой; такой изгиб, считает Моран, вызван давлением рентгеновского излучения от скопления сверхраскаленного газа, находящегося в центре данной системы.

Изучение движения мощных мазеров поможет, по мнению Моргана, поиску свермассивных черных дыр. Ближайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судя по наблюдаемым скоростям мазеров, может находиться черная дыра с массой, превышающей солнечную в 10 млн раз.

Что внутри у черной дыры

Черной дырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то есть поверхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действия гравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на черные дыры (и их внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можем получить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно ЧЕРНАЯ, то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры не является полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующие измерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая непосредственной информацию оттуда.

Черная дыра (как идея) первоначально появилась в 18 веке благодаря работам Митчелла и Лапласа как предсказание в ньютоновской теории. Затем уже - как математическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиуса горизонта черной дыры (как у Митчелла и Лапласа) достаточно лишь положить вторую космическую скорость равной скорости света. Для случае вращающихся и заряженных черных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО.

Существуют или нет черные дыры во Вселенной, или, все-таки, это лишь наша игра ума и математики - вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей). Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие, и Нобелевская премия за открытие черных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическом обосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры. Оказывается, что решение гладко продолжается под горизонт и заканчивается в точке, в которой одна из важнейших характеристик пространства - кривизна - становится равной бесконечности (как говорят "расходится"). Такое поведение и называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работает не только физика, но и математика.

В какой-то мере исследование сингулярностей можно считать физичным и в рамках ОТО, особенно в свете недавних результатов о конечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том, что несколько десятилетий назад была сформулирована "гипотеза космической цензуры", которая утверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярность может существовать, лишь закрытая от нас горизонтом, то есть в виде черной дыры. Так вот, недавно в ходе численного анализа разных сценариев гравитационного коллапса было установлено, что при определенных начальных условиях (вполне физических, надо отметить) процесс гравитационного коллапса может закончится возникновением "голой" сингулярности. В рамках ОТО аналитического ответа на этот вопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток - она не поддается процедуре квантования, в отличии от теорий остальных физических взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного). Поэтому создаются так называемые теории суперобъединения, в которые входит не сама ОТО, а какой-либо (еще до конца не ясно, какой) вариант эффективной теории гравитации, включающий ОТО. С точки зрения идей квантовой механики, лежащей в основе объединения взаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполне правомерен, потому что все пространство должно описываться одной характеристикой - волновой функцией. В рамках этого нового подхода были открыты (в математическом плане, конечно) новые типы сингулярностей, которых нет в ОТО. Можно выделить характеристики сингулярности, например, по скорости, с которой кривизна расходится. В какой-то мере и горизонт событий черной дыры можно считать сингулярностью, но не истинной, потому что кривизна в этом случае конечна (расходится лишь один коэффициент), более того, эту сингулярность можно убрать после соответствующего преобразования координат.

Черные дыры сливаются

Ученые открыли, что в одной галактике вполне могут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итоге обязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросами энергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушевать радиоактивное и гравитационное цунами.
Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240 существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактики закрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, в надежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивной черной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объекта являются активными черными дырами.

Эта галактика находится от нас на расстоянии около 400 световых лет - довольно близко по космическим масштабам и образовалась она в результате столкновения двух галактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, что слияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звезды расположены очень редко, они почти не "ощущают" происходящего. Сейчас пока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационно взаимодействуют. Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световых лет, будет уменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды, что вращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центра галактики. Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного светового года, они начнут сливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дыр разогреется до таких температур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов поле радиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокруг ядер, что даст возможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в поле влияния более массивной черной дыры после того, как они сольются.
Ученые также построили компьютерную версию того, что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не видели двойных черных дыр. Это наводило их на мысли, что такого явления, как двойная черная дыра не бывает, что черные дыры сливаются в одну. Недавно они получили доказательство этого: джеты, испускаемые черными дырами в объекте, известном под номером NGC 362, сместились. Это говорит о том, что черные дыры в сталкивающихся галактиках "почувствовали" существование друг друга.

Список использованной литературы:

1. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Мол. гвардия, 1985.

2. Липунов В.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.

3. Черепащук А.М. Массивные тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985. № 1.

С. 16-24.

4. Лютый В.М., Черепащук А.М. Оптические исследования рентгеновских двойных систем // Там же. 1986. № 5. С. 18-25.

5. Черепащук А.М. Черные дыры: новые данные // Там же. 1992. № 3. С. 23-30.

6. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро "Квантум", 1995. 106 с.