ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ
Что мы знаем и чего не знаем о чёрных дырах?
Словосочетание „чёрная дыра“ прочно вошло в наш обиход. Вполне можно ожидать, что в самом ближайшем будущем вместо „как сквозь землю провалился“ будут говорить „провалился, как в чёрную дыру“. И это будет высшей формой народного признания: широкое словоупотребление при полном смыслонепонимании. Уже сегодня можно, например, прочесть: „Обнаружена чёрная дыра, летящая в сторону Земли… Она летит, потому что образовалась из сверхновой звезды…“
А что на самом деле? Звёзды намного массивнее Солнца, выгорая, проваливаются внутрь себя („коллапсируют“), выделяя огромное количество энергии в виде „вспышки сверхновой“ и оставляя после себя сверхплотный остаток в виде так называемой нейтронной звезды, в которой все электроны вдавлены в протоны, так что она состоит из одних лишь нейтронов — отсюда и название. При ещё большей массе исходной звезды (20 — 30 солнечных масс) её коллапс приводит к образованию уже не нейтронной звезды, а „чёрной дыры“, окружённой плотным диском оставшегося от звезды вещества. Но „дыра“ эта никуда не летит — она только быстро вращается. Считается, что во взаимодействии „дыры“ и диска каким-то пока ещё не вполне понятным образом рождаются те чудовищные выбросы энергии, которые называются космическими гамма-вспышками.
Тем не менее летящая сквозь нашу Галактику (Млечный Путь) прямо в её плоском диске чёрная дыра и впрямь обнаружена. Её скорость в настоящее время составляет около 400 тысяч километров в час, а линейное движение объясняется тем, что сверхновая, остатком которой является эта дыра, имела близкого партнёра, другую звезду, вместе с которой составляла пару. В таких парах обе звезды обращаются вокруг общего центра тяжести и, стало быть, имеют линейную скорость, как камень, вращающийся на верёвке. В момент вспышки (коллапса) сверхновой её гравитационное взаимодействие с партнёром резко меняется, поскольку меняется — за счёт выброса части вещества — масса звёздного остатка, и в результате возникшая чёрная дыра вместе со звездой-партнером слетают прочь с прежней орбиты, как сорвавшийся с верёвки камень. И летят.
Сотрудник французской Атомной комиссии Феликс Мирабель, который обнаружил эту дыру и определил её движение по наблюдениям с 1996 по 2001 год за её тускло светящимся звёздным партнером, из которого она постепенно на лету высасывает вещество, сообщил о своих результатах в журнале „Astronomy and Astrophysics“ в конце прошлого года. Аналогичная быстро движущаяся чёрная дыра была обнаружена в минувшем году в окружающем Млечный Путь сферическом звёздном облаке (гало), но там большие скорости всех объектов — скорее правило, чем исключение. Учёные пока не знают всех деталей образования таких летящих чёрных дыр (в отличие от нейтронных звёзд), потому сейчас они пытаются проследить траекторию обнаруженной ими летящей дыры вспять к месту её возникновения: быть может, это позволит лучше понять, как она родилась.
Ещё одно недавнее сообщение, касающееся чёрных дыр, тоже нуждается в дополнительных пояснениях. Речь шла об открытии двух обращающихся друг около друга по спирали чёрных дыр, которые в далёком (через сотни миллионов лет) будущем должны непременно столкнуться и слиться в единую, ещё более массивную дыру. Прекрасно. И всё верно, однако следует обязательно сказать, что это открытие подтвердило подозрения, которые мучили астрономов вот уже много лет, с тех пор, как они вообще заподозрили, что в центре многих галактик могут находиться огромные чёрные дыры.
Подобно тому, как наше Солнце выбрасывает в окружающее пространство длинные огненные рукава-протуберанцы, галактики выбрасывают в космос огромные, протяженностью во множество световых лет огненные струи, как правило, в двух противоположных направлениях из центра. Уже лет двадцать назад было выдвинуто ныне подтвердившееся предположение о природе появления этих струй. Объясняется оно тем, что центр галактики представляет собой активно действующее ядро — своего рода чудовищную энергетическую машину, в которой вещество плоского диска, окружающее супермассивную чёрную дыру, проваливаясь в неё, порождает невероятной мощности выброс рентгеновских лучей. Облака пыли, окружающие этот активный центр, поглощают рентгеновские лучи и переизлучают их в виде света более длинных волн вплоть до инфракрасных. По определённым причинам это излучение выбрасывается в виде упомянутых двух струй.
Тогда же, в начале 80-х годов ХХ века, были обнаружены галактики, обладающие странной особенностью: выбрасываемые из их активного ядра струи постепенно меняют направление, как говорят — „прецессируют“ (так, земная ось не остаётся на месте, а прецессирует, описывая конус вокруг воображаемой линии, соединяющей северный и южный полюса). Нынешний королевский астроном Великобритании, профессор Кембриджского университета Мартин Рис вместе с Митчелом Бенгельманом и Роджером Бландфордом из Калифорнии выдвинули гипотезу, которая объясняла эту прецессию струй тем, что в центре таких галактик находится не одна, а сразу две чёрные дыры, „танцующие“ вокруг друг друга.
В 1983 году астрономы обнаружили на расстоянии 400 миллионов световых лет от Земли галактику (каталоговый номер NGC6240), видимая форма которой резко отличалась от обычной и указывала, что этот космический объект скорее всего образовался в результате столкновения двух предшествовавших ему, меньших по размеру галактик — явление довольно частое в окружающей нас Вселенной. От других неправильных галактик её отличал, однако, тот факт, что основная масса излучаемой ею энергии приходилась на инфракрасную часть спектра. Это можно было объяснить как наличием активного галактического ядра, так и тем, что в её центре происходит активное звёздорождение (оно тоже сопровождается выбросом инфракрасных лучей).
Выбор из этих двух возможностей удалось сделать благодаря запуску на околоземную орбиту обсерватории „Чандра“, телескоп которой был рассчитан на наблюдение в рентгеновских лучах. Группа немецких астрономов, работая на этом телескопе, показала, что источник рентгеновских лучей, идущих из центра исследуемой галактики (и позже преобразующихся в инфракрасное излучение), имеет не сферическую, а протяжённую форму и состоит, на самом деле, из двух источников. Оба они в высшей степени малы и интенсивны, что больше соответствует характеристикам чёрных дыр, а не районам звёздорождения в галактиках. Кроме того, в их излучении присутствуют спектральные линии железа, а как раз появление атомов железа характерно для тех вспышек сверхновых звёзд, из которых рождаются чёрные дыры (тяжелые элементы, вплоть до железа, появляются во Вселенной только благодаря вспышкам сверхновых звёзд, в глубинах которых эти элементы образуются из водорода и гелия с помощью термоядерных реакций).
Таким образом, давние подозрения Риса и его коллег подтвердились: во Вселенной могут существовать галактики, активное ядро которых образовано парой чёрных дыр, а не одной. Было установлено, что чёрные дыры в ядре галактики NGC6240 имеют массу от 10 до 100 миллионов (!) солнечных масс и находятся на расстоянии 3000 световых лет друг от друга, поэтому процесс их сближения вплоть до слияния должен занять многие сотни миллионов лет. При слиянии этих дыр должна высвобождаться гравитационная энергия (как она, например, высвобождается в виде тепла и акустических волн, то есть звука при падении камня с высоты на землю), и часть её будет излучаться в окружающий космос в виде гравитационных волн. Энергия этих волн, по подсчётам авторов открытия, будет наверняка достаточной, чтобы „Космический интерферометр“ — прибор для улавливания гравитационных волн, планируемый к запуску в этом десятилетии, — мог их обнаружить. Поскольку в окружающей Вселенной таких галактик с парами чёрных дыр в центре должно быть много, учёные рассчитывают, что „Космический интерферометр“ будет регистрировать по меньшей мере одно слияние в год, а то и больше.
Всё ли это, что мы знаем и чего не знаем о чёрных дырах? Нет, разумеется, но теперь вы можете с достаточным основанием ответить, что знаете немного больше, чем знали раньше.
Что мы знаем и чего не знаем о чёрных дырах?
Словосочетание „чёрная дыра“ прочно вошло в наш обиход. Вполне можно ожидать, что в самом ближайшем будущем вместо „как сквозь землю провалился“ будут говорить „провалился, как в чёрную дыру“. И это будет высшей формой народного признания: широкое словоупотребление при полном смыслонепонимании. Уже сегодня можно, например, прочесть: „Обнаружена чёрная дыра, летящая в сторону Земли… Она летит, потому что образовалась из сверхновой звезды…“
А что на самом деле? Звёзды намного массивнее Солнца, выгорая, проваливаются внутрь себя („коллапсируют“), выделяя огромное количество энергии в виде „вспышки сверхновой“ и оставляя после себя сверхплотный остаток в виде так называемой нейтронной звезды, в которой все электроны вдавлены в протоны, так что она состоит из одних лишь нейтронов — отсюда и название. При ещё большей массе исходной звезды (20 — 30 солнечных масс) её коллапс приводит к образованию уже не нейтронной звезды, а „чёрной дыры“, окружённой плотным диском оставшегося от звезды вещества. Но „дыра“ эта никуда не летит — она только быстро вращается. Считается, что во взаимодействии „дыры“ и диска каким-то пока ещё не вполне понятным образом рождаются те чудовищные выбросы энергии, которые называются космическими гамма-вспышками.
Тем не менее летящая сквозь нашу Галактику (Млечный Путь) прямо в её плоском диске чёрная дыра и впрямь обнаружена. Её скорость в настоящее время составляет около 400 тысяч километров в час, а линейное движение объясняется тем, что сверхновая, остатком которой является эта дыра, имела близкого партнёра, другую звезду, вместе с которой составляла пару. В таких парах обе звезды обращаются вокруг общего центра тяжести и, стало быть, имеют линейную скорость, как камень, вращающийся на верёвке. В момент вспышки (коллапса) сверхновой её гравитационное взаимодействие с партнёром резко меняется, поскольку меняется — за счёт выброса части вещества — масса звёздного остатка, и в результате возникшая чёрная дыра вместе со звездой-партнером слетают прочь с прежней орбиты, как сорвавшийся с верёвки камень. И летят.
Сотрудник французской Атомной комиссии Феликс Мирабель, который обнаружил эту дыру и определил её движение по наблюдениям с 1996 по 2001 год за её тускло светящимся звёздным партнером, из которого она постепенно на лету высасывает вещество, сообщил о своих результатах в журнале „Astronomy and Astrophysics“ в конце прошлого года. Аналогичная быстро движущаяся чёрная дыра была обнаружена в минувшем году в окружающем Млечный Путь сферическом звёздном облаке (гало), но там большие скорости всех объектов — скорее правило, чем исключение. Учёные пока не знают всех деталей образования таких летящих чёрных дыр (в отличие от нейтронных звёзд), потому сейчас они пытаются проследить траекторию обнаруженной ими летящей дыры вспять к месту её возникновения: быть может, это позволит лучше понять, как она родилась.
Ещё одно недавнее сообщение, касающееся чёрных дыр, тоже нуждается в дополнительных пояснениях. Речь шла об открытии двух обращающихся друг около друга по спирали чёрных дыр, которые в далёком (через сотни миллионов лет) будущем должны непременно столкнуться и слиться в единую, ещё более массивную дыру. Прекрасно. И всё верно, однако следует обязательно сказать, что это открытие подтвердило подозрения, которые мучили астрономов вот уже много лет, с тех пор, как они вообще заподозрили, что в центре многих галактик могут находиться огромные чёрные дыры.
Подобно тому, как наше Солнце выбрасывает в окружающее пространство длинные огненные рукава-протуберанцы, галактики выбрасывают в космос огромные, протяженностью во множество световых лет огненные струи, как правило, в двух противоположных направлениях из центра. Уже лет двадцать назад было выдвинуто ныне подтвердившееся предположение о природе появления этих струй. Объясняется оно тем, что центр галактики представляет собой активно действующее ядро — своего рода чудовищную энергетическую машину, в которой вещество плоского диска, окружающее супермассивную чёрную дыру, проваливаясь в неё, порождает невероятной мощности выброс рентгеновских лучей. Облака пыли, окружающие этот активный центр, поглощают рентгеновские лучи и переизлучают их в виде света более длинных волн вплоть до инфракрасных. По определённым причинам это излучение выбрасывается в виде упомянутых двух струй.
Тогда же, в начале 80-х годов ХХ века, были обнаружены галактики, обладающие странной особенностью: выбрасываемые из их активного ядра струи постепенно меняют направление, как говорят — „прецессируют“ (так, земная ось не остаётся на месте, а прецессирует, описывая конус вокруг воображаемой линии, соединяющей северный и южный полюса). Нынешний королевский астроном Великобритании, профессор Кембриджского университета Мартин Рис вместе с Митчелом Бенгельманом и Роджером Бландфордом из Калифорнии выдвинули гипотезу, которая объясняла эту прецессию струй тем, что в центре таких галактик находится не одна, а сразу две чёрные дыры, „танцующие“ вокруг друг друга.
В 1983 году астрономы обнаружили на расстоянии 400 миллионов световых лет от Земли галактику (каталоговый номер NGC6240), видимая форма которой резко отличалась от обычной и указывала, что этот космический объект скорее всего образовался в результате столкновения двух предшествовавших ему, меньших по размеру галактик — явление довольно частое в окружающей нас Вселенной. От других неправильных галактик её отличал, однако, тот факт, что основная масса излучаемой ею энергии приходилась на инфракрасную часть спектра. Это можно было объяснить как наличием активного галактического ядра, так и тем, что в её центре происходит активное звёздорождение (оно тоже сопровождается выбросом инфракрасных лучей).
Выбор из этих двух возможностей удалось сделать благодаря запуску на околоземную орбиту обсерватории „Чандра“, телескоп которой был рассчитан на наблюдение в рентгеновских лучах. Группа немецких астрономов, работая на этом телескопе, показала, что источник рентгеновских лучей, идущих из центра исследуемой галактики (и позже преобразующихся в инфракрасное излучение), имеет не сферическую, а протяжённую форму и состоит, на самом деле, из двух источников. Оба они в высшей степени малы и интенсивны, что больше соответствует характеристикам чёрных дыр, а не районам звёздорождения в галактиках. Кроме того, в их излучении присутствуют спектральные линии железа, а как раз появление атомов железа характерно для тех вспышек сверхновых звёзд, из которых рождаются чёрные дыры (тяжелые элементы, вплоть до железа, появляются во Вселенной только благодаря вспышкам сверхновых звёзд, в глубинах которых эти элементы образуются из водорода и гелия с помощью термоядерных реакций).
Таким образом, давние подозрения Риса и его коллег подтвердились: во Вселенной могут существовать галактики, активное ядро которых образовано парой чёрных дыр, а не одной. Было установлено, что чёрные дыры в ядре галактики NGC6240 имеют массу от 10 до 100 миллионов (!) солнечных масс и находятся на расстоянии 3000 световых лет друг от друга, поэтому процесс их сближения вплоть до слияния должен занять многие сотни миллионов лет. При слиянии этих дыр должна высвобождаться гравитационная энергия (как она, например, высвобождается в виде тепла и акустических волн, то есть звука при падении камня с высоты на землю), и часть её будет излучаться в окружающий космос в виде гравитационных волн. Энергия этих волн, по подсчётам авторов открытия, будет наверняка достаточной, чтобы „Космический интерферометр“ — прибор для улавливания гравитационных волн, планируемый к запуску в этом десятилетии, — мог их обнаружить. Поскольку в окружающей Вселенной таких галактик с парами чёрных дыр в центре должно быть много, учёные рассчитывают, что „Космический интерферометр“ будет регистрировать по меньшей мере одно слияние в год, а то и больше.
Всё ли это, что мы знаем и чего не знаем о чёрных дырах? Нет, разумеется, но теперь вы можете с достаточным основанием ответить, что знаете немного больше, чем знали раньше.
