Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор Страница 31

Как же обнаружить черные дыры во Вселенной, если они все поглощают и ничего не выпускают? Уже после образования черная дыра может разрастаться за счет поглощения окружающего вещества. Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на черную дыру, называется аккрецией. Вещество, например окружающий газ, падая в черную дыру, испытывает сильное ускорение, при этом газ интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне. Регистрация такого излучения может быть признаком присутствия черной дыры или нейтронной звезды. Методы определения типа реального центрального тяготеющего тела не очень надежны. Более перспективными для обнаружения черных дыр являются такие объекты, как двойные звезды, которых, кстати, много во Вселенной. Часто оказывается, что один из компаньонов – это релятивистский компактный объект, который даже не виден оптически, а другой компаньон – обычная звезда известного класса с известными параметрами. Тогда, изучая орбиту обычной звезды, можно определить массу невидимой. Если она больше, скажем, 5 солнечных, то с большой вероятностью можно предположить, что это черная дыра.

Очень важной для регистрации черных дыр может оказаться аккреция газа с соседней звезды в двойных звездных системах. При этом из вращающегося газа формируется аккреционный диск. Вещество в нем ускоряется, разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и, как результат, сильно излучает. Излучение происходит и в рентгеновском диапазоне, что дает принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски при помощи рентгеновских телескопов. На рис. 8.4 показана двойная система, состоящая из черной дыры и обычной звезды. Вещество звезды притягивается черной дырой и собирается вокруг нее в аккреционный диск, с образованием джетов (струй раскаленного газа, вырывающихся из полюсов). Основной проблемой для идентификации таких объектов, также как и при обычной аккреции, является то, что трудно различить аккреционные диски нейтронных звезд и черных дыр. Основополагающая теоретическая разработка моделей таких дисков появилась в 1973 году в пионерской работе советских астрофизиков Николая Шакуры и Рашида Сюняева.

По разным оценкам кандидатов в черные дыры звездных масс существует до нескольких десятков. Все они являются компонентами рентгеновских двойных систем, в которых компактный объект имеет аккреционный диск из вещества звезды-компаньона. И почти все такие кандидаты в черные дыры (20–30) обнаружены в нашей Галактике. Массы компактных объектов могут быть от трех до двенадцати солнечных масс и даже более. Одна из наиболее удаленных рентгеновских двойных систем находится в галактике Треугольника. Компактный объект с массой около 10 солнечных масс, похожий по свойствам на черную дыру, был обнаружен в шаровом скоплении в галактике NGC 4472, находящейся на расстоянии 55 миллионов световых лет.

Рис. 8.4. Перетекание вещества с обычной звезды на черную дыру

В наше время большинство астрофизиков и космологов убеждены в существовании сверхмассивных черных дыр, содержащих от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс и расположенных в центрах большинства галактик, включая нашу – Млечный Путь. Их гравитационный радиус находится в пределах от сотен тысяч до миллиардов километров, т. е. от сотых долей астрономической единицы (а. е. = 150 млн км – среднее расстояние от Земли до Солнца) до 100 а. е. Причина этой убежденности в том, что современная техника позволяет производить чрезвычайно точные наблюдения вблизи центра нашей и других галактик, различать и определять параметры орбит звезд, движущихся вблизи центра. А эти наблюдения в рамках ОТО дают однозначный ответ. Мало того, на фоне орбит близких звезд, буквально разрешается темный диск черной дыры в центре нашей галактики. Эти черные дыры представляют наиболее вероятную модель активных ядер галактик, которые образуются при слиянии малых черных дыр и (или) при аккреции газа и вещества окружающих звезд. Сверхмас-сивные черные дыры являются и самыми подходящими кандидатами для центров квазаров, объектов чрезвычайно удаленных от нас, а следовательно, очень старых (ранних), из которых и могли позднее (ближе к современной эпохе) образоваться галактики.

На чем основан вывод, что в центрах галактик – черные дыры? Прежде всего, на анализе динамики близких звезд – их класс, а соответственно, и масса известны. Параметры орбит известны благодаря современным

телескопам. Чем ближе к центру, тем больше скорости звезд, подобно тому как в Солнечной системе близкие планеты имеют большую скорость, чем дальние. Но там скорости звезд достигают десятков тысяч км/с! Этих данных достаточно, чтобы вычислить массу центрального тела. В нашей Галактике центр расположен в созвездии Стрельца. В настоящее время в его окрестности изучается движение десятков звезд. По современным оценкам масса центрально тела от 3 до 4 млн солнечных масс. Фиксируется излучающий источник, называемый Стрелец A*, причем по всем параметрам его излучение вызвано аккрецией газа на центральный объект, радиус которого (излучающей области) не более 45 а. е. Есть и непосредственные данные, подтверждающие компактность центрального объекта – это размеры орбиты одной из самых близких звезд S2. А при массе в несколько миллионов солнечных масс и таких малых размерах этот центральный объект может быть только черной дырой.

Среди других галактик с объектами-кандидатами в сверхмассивные черные дыры наиболее тщательно изучены галактика Андромеды, галактика M 32, эллиптические галактики M 87, NGC 3115, NGC 3377, NGC 4258 и галактика M 104 (Сомбреро).

Сейчас с увеличением точности и надежности наблюдений производят переоценки масс сверхмассивных черных дыр – как оказалось, они могут быть значительно недооценены. Например, для того, чтобы в галактике М 87 (расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) звезды двигались так, как это наблюдается сейчас, масса центральной черной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, что значительно превышает предыдущие оценки.

Обсудим более детально вопрос о существовании черных дыр. Проблема во многом связана с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтвержденной наблюдениями, является ОТО. Но, строго говоря, эта теория не проверена для условий в непосредственной близости от черной дыры. С другой стороны, попытки описать сверхплотные и свехкомпактные объекты в центрах галактик не так, как это предлагает ОТО, приводят к экзотическим моделям, которые вызывают больше вопросов, чем дают ответов.

Черные дыры промежуточных масс определяются массами от сотен до тысяч солнечных масс, а их гравитационные радиусы могут быть от сотен до тысяч километров. Нижней границей считается масса порядка 200 М⊙, как предел для отдельной звезды. Они предлагаются как возможные источники энергии сверхъярких источников рентгеновского излучения. В качестве механизма формирования таких черных дыр рассматриваются, прежде всего, ассоциации молодых звезд и, возможно, ядра шаровых скоплений. В 2002 году космический телескоп «Хаббл» производил наблюдения, показавшие вероятность существования в шаровых скоплениях M 15 (в созвездии Пегаса) и Mayall II (в галактике Андромеды) именно среднемассивных черных дыр. Такая интерпретация точно так же основывается на размерах и периодах орбит звезд в данных шаровых скоплениях. Однако в этом случае нет той уверенности, как в существовании сверхмассивных черных дыр. Оказывается, что вместо черных дыр в центрах шаровых скоплений вполне могут быть и группы нейтронных звезд, давая тот же результат наблюдений. В нашей Галактике среднемассивная черная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс, возможно, находится внутри группы из семи массивных звезд на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*.

Наконец, кратко обсудим черные микродыры, их массы много меньше звездных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми черными дырами, поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация черных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и ее флуктуации были чрезвычайно велики. Такие черные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими.