Триумф гравитации

Триумф гравитации

Черные дыры — едва ли не самые загадочные и неизученные объекты, существующие в Галактике. Но чем дальше, тем больше эти гравитационные «диктаторы» привлекают внимание ученых-астрономов.

XX век принес с собой множество удивительных открытий в самых разнообразных областях человеческих знаний, причем большинство из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об окружающем мире. К числу явлений, оказавшихся в центре внимания современной науки, относятся и черные дыры — объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения и ничего не излучающие сами. Прежде чем обратиться к астрофизическим свойствам черных дыр, приглядимся внимательно к той природной силе, которая рождает загадочные объекты, — гравитации. Ведь черная дыра — это своеобразный триумф тяготения

На изображении: изучая газ, окружающий объект GRO J1655-40, ученые обнаружили, что скорость водоворота, в который он вовлечен, составляет 450 оборотов в секунду. По предварительным оценкам, центральный объект имеет массу, в семь раз превосходящую солнечную. Наблюдаемое мерцание в аккреционном диске может быть объяснено тем, что этот объект — очень быстро вращающаяся черная дыра.

Немецкий астрофизик Шварцшильд первым нашел точное решение уравнений Эйнштейна, которое, как оказалось впоследствии, описывает геометрию пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Он вычислил критический радиус, до которого нужно сжать массу, чтобы получить черную дыру.

Этот радиус стал называться радиусом Шварцшильда.

Черная дыра не имеет поверхности в обычном смысле слова, просто существует область пространства вокруг нее, определяемая радиусом Шварцшильда, невидимая для внешнего наблюдателя. Эта область называется еще «горизонтом событий». Термин «горизонт событий» — очень удачное название для этой поверхности в пространстве-времени, из которой ничто не может вырваться. Это действительно горизонт, за которым все пропадает из виду. Его нельзя ни видеть, ни чувствовать, ни измерить.

«Горизонт событий» можно сравнить с глубоким колодцем с совершенно гладкими стенами, попав в который невозможно выбраться самостоятельно. Высота колодца и является «горизонтом событий». Любое тело, оказавшись вблизи «горизонта событий», будет двигаться только внутрь черной дыры.

Гравитация — это сила, которая управляет всей Вселенной. Она держит нас на Земле, определяет орбиты планет, обеспечивает устойчивость Солнечной системы. Именно она играет главную роль при взаимодействии звезд и галактик, определяя, очевидно, прошлое, настоящее и будущее Вселенной. Она всегда притягивает и никогда не отталкивает, действуя на все, что видимо, и на многое из того, что невидимо. И хотя гравитация была первой из четырех фундаментальных сил природы, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, она все еще остается неразгаданной загадкой.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения, в котором гравитация была описана как сила притяжения между всеми телами без исключения. Величина ее прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения наглядно иллюстрирует различные явления природы, в которых гравитация играет важную роль. С помощью этого закона можно не только объяснить движение небесных тел, но и разобраться в сложной проблеме строения и эволюции Солнца и звезд. Ученые пользуются этим законом для расчета траекторий космических аппаратов, времени стыковок на космических орбитах, запусков ракет.

Как действует этот закон, в принципе ясно, но вот причина, вызывающая притяжение масс, требует более глубокого понимания. Трудно себе представить, как ничем не связанные между собой планеты и звезды, удаленные друг от друга на гигантские расстояния, «узнают» о существовании друг друга. И сегодня, три столетия спустя после открытия гравитации, все еще не существует четкого понимания этого явления.

Процесс сжатия, при котором силы тяготения неудержимо возрастают, называется гравитационным коллапсом. Наше Солнце — шар, и если бы его внутреннее газовое давление не сопротивлялось действию тяготения, оно сжалось бы в точку всего за 29 минут! Вот насколько быстро гравитация расправляется со своими «жертвами», налагая при этом запрет на любые сигналы о состоянии коллапсирующего объекта, идущие наружу и несущие информацию. Посмотрим, почему это происходит.

Чтобы преодолеть силу притяжения небесного объекта и отправиться в космос, необходимо развить вторую космическую скорость, которая иначе называется скоростью убегания. Скорость убегания с поверхности объекта, имеющего достаточно большой радиус, невелика. Но если его радиус будет сокращаться под действием силы тяжести, величина скорости убегания будет расти и может достичь значения, равного скорости света, когда объект сожмется внутри некоторого критического радиуса, зависящего от начальной массы объекта. Объект исчезнет из видимой Вселенной для внешнего наблюдателя, так как его мощное поле тяготения не позволит излучению уйти с его поверхности.

Уже, исходя из теории тяготения Ньютона, можно предсказать возможность появления такого объекта, как черная дыра. В 1916 году Эйнштейн предложил принципиально новую теорию тяготения, названную Общей теорией относительности. Один из главных выводов этой теории — тесная связь между временем, пространством и распределением массы. Согласно Эйнштейну, пространство и время — это формы существования материи.

Исчезнет материя — исчезнут пространство и время. Масса изменяет геометрию пространства своей гравитацией. Геометрия пространства, ее изменение со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения материи в пространстве, которые в свою очередь зависят от его геометрии. Таким образом, геометрия пространства указывает материи, какие свойства она должна иметь, а материя указывает пространству-времени, как оно должно быть искривлено.

Любые массы искривляют пространство-время тем сильнее, чем больше эти массы. Когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество будет неудержимо сжиматься и наступит катастрофа — гравитационный коллапс. В процессе коллапса растут концентрация массы и кривизна пространства-времени, и, наконец, в результате сжатия наступает момент, когда пространство-время свернется так, что ни один физический сигнал не сможет выйти из коллапсирующего объекта наружу и для внешнего наблюдателя объект перестанет существовать. Такой объект и называется черной дырой. Немало усилий было затрачено теоретиками, чтобы разобраться в особенностях геометрии пространства-времени, связанного с черными дырами.

Очень привлекательными для поиска кандидатов в черные дыры являются тесные двойные системы, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти, а иногда и действительно соприкасаются. Порой в таких системах наблюдается только одна звезда, а присутствие второго компонента можно установить лишь из наблюдений движения видимой звезды. Из анализа периода и вариаций светимости оптической звезды можно рассчитать массу невидимого компонента, и в ряде случаев он оказывается очень массивным компактным объектом с сильным гравитационным полем, способным срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнет отделяться от внешних слоев видимой звезды и падать на невидимый спутник. Сильно разогретый газ становится источником высокоэнергичного электромагнитного излуче- ния в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических аппаратов.

Астрономы получили беспрецедентное подтверждение галактического каннибализма: массивная черная дыра, спрятанная в центре ближайшей гигантской галактики Кентавр А, поедает меньшую галактику при столкновении.

Цветной зигзаг — не плод фантазии художника, а «роспись» супермассивной черной дыры в центре галактики М84, открытой с помощью спектрографа космического телескопа «Хаббл» (STIS). Слева изображение, снятое камерой «2» телескопа «Хаббл», показывает сердце галактики, в которой предполагается наличие черной дыры. Астрономы фиксируют движение газа, сжимающегося под действием мощной гравитационной силы.


черная дыра	нейтронная звезда

Двойные системы, состоящие из относительно массивной звезды с нормальным наполняющим материалом и компактной второй звезды, иногда называют рентгеновскими новыми. На изображении показаны завихрения материи второй звезды в так называемый аккреционный диск (газовый диск, вращающийся вокруг массивного объекта в бинарной системе звезд или в центре галактики), который из-за высокой температуры излучает рентгеновские волны. В случае, если вторая звезда является нейтронной, материя расплющивается на поверхности и излучает еще более яркие высокоэнергетические рентгеновские волны. Но если это черная дыра, рентгеновские лучи, достигая «горизонта событий», закручиваются в водоворот в направлении к поверхности и теряются из виду.

Последние наблюдения описывают два класса рентгеновских бинаров, излучение одного из которых в 100 раз слабее другого. В объектах этого класса может присутствовать «горизонт событий».

Согласно современной теории эволюции звезд, «умирая», каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией любой звезды, но затем были открыты пульсары, и астрономы признали реальное существование нейтронных звезд. Теперь же ученые задумались о возможности реального существования самого удивительного класса умирающих звезд — черных дыр. К середине 60-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции, и они поняли, что существование устойчивых «мертвых» звезд, масса которых больше трех солнечных, невозможно. А так как во Вселенной достаточно много звезд с очень большими массами, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной. Массивные звезды стареют очень быстро. В процессе всей своей жизни они теряют массу, то есть выбрасывают вещество в пространство. Как правило, эволюция таких звезд заканчивается мощным взрывом — «вспышкой Сверхновой», в результате которой огромные облака звездного вещества выбрасываются в межзвездную среду. «Остаток» звезды сжимается под действием силы тяготения и может стать нейтронной звездой, то есть звездой, состоящей из вырожденного нейтронного газа. Именно внутреннее давление вырожденного газа противодействует силе гравитации и останавливает сжатие звезды. Однако если масса сжимающейся звезды превышает солнечную массу в 3 и более раз, никакая сила не может остановить процесс сжатия.

По мере сжатия напряженность гравитационного поля вокруг звезды все более нарастает. Теория Ньютона уже не может правильно описывать происходящие явления, и приходится обращаться к теории относительности Эйнштейна. В ходе нарастающего сжатия нарастает и искривление пространства-времени. Наконец, когда звезда сожмется до радиуса в несколько километров, пространство-время «свернется» и звезда исчезнет из видимой Вселенной, от нее останется только гравитационное поле — следовательно, произойдет рождение черной дыры.

Задача поиска и открытия черных дыр в космосе пред- ставляется на первый взгляд совершенно безнадежной, так как никакая информация, даже свет, не может вырваться с поверхности подобных объектов. Основной инструмент астрономов — телескоп бессилен в решении этой задачи. Но во Вселенной продолжает «жить» и действовать гравитационное поле черной дыры. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие на значительном расстоянии. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: удерживать возле себя планеты или образовывать двойные системы с другими звездами. Вещество, которое падает на черную дыру, разогревается до очень высоких температур и, прежде чем окончательно исчезнуть в черной дыре, выбрасывает во Вселенную интенсивное рентгеновское излучение.

При наблюдениях с помощью оптического телескопа эта галактика в созвездии Гидры выглядит нормальной, но после исследования ее рентгеновской обсерваторией «Чандра» в сентябре 1999 года здесь был обнаружен сильный источник рентгеновского излучения, расположенный на расстоянии 2,5 млрд. световых лет от Земли и сконцентрированный в центре галактики. Объект, названный CXO 0312 Fiore P3, может быть черной дырой. Это открытие совместно сделали итальянские ученые и сотрудники Гарвардского Смитсоновского центра по астрофизике.

Самыми мощными внегалактическими источниками электромагнитного излучения во Вселенной являются квазары — квазизвездные радиоисточники. Такое название они получили потому, что на первый взгляд неотличимы от обычных звезд, однако имеют очень малые угловые размеры и расположены на расстояниях 10 — 15 миллиардов световых лет от Земли, почти на границе наблюдаемой Вселенной. Мы видим их такими, какими они были 10 — 15 миллиардов лет назад, когда Вселенная еще только формировалась. Эти объекты излучают столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик. В рентгеновском диапазоне они излучают столько же энергии, сколько во всей оптической области спектра, которая высвобождается внутри объема с диаметром, меньшим, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. К настоящему времени открыты тысячи квазаров, для них характерны мощные движения газа, выброс струй вещества (или джетов) со скоростью, близкой к скорости света.

Существует несколько гипотез для объяснения природы квазаров, но наиболее известная сводится к тому, что квазар — это гигантская черная дыра с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенная в плотном ядре галактики. Массивная черная дыра разрушает и захватывает звезды, орбиты которых проходят близко от нее. Одним из самых сильных аргументов в пользу этой интерпретации является изменение светимости квазаров с характерным временем менее одного светового дня.

ТРИ ПУТИ РОСТА ЧЕРНОЙ ДЫРЫ:

A ПЕРВИЧНОЕ СЖАТИЕ ГАЗОВОГО ОБЛАКА


сжатие первичного водородного облака вокруг небольшого «зернышка» черной дыры	падающий газ питает дыру, наращивает ее массу, что ведет к формированию звезд	сжатие содержимого гигантской эллиптической галактики; рост черной дыры останавливается

B ГАЛАКТИЧЕСКОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ


две дисковые галактики, имеющие в центре черные дыры, сближаются друг с другом	галактики сталкиваются и их ядра начинают сливаться с их черными дырами	слившееся в одно гигантская эллиптическая галактика с черной дырой в центре, которая растет пропорционально массе

C ПСЕВДОУПЛОТНЕНИЕ


обычная дисковая галактика формируется с крошечной черной дырой	газ из диска падает в центр галактики и растет псевдоуплотнение, выглядящее как первичное уплотнение, но в реальности является частью диска	по мере роста псевдоуплотнения формируется черная дыра масса которой растет за его счет

Кандидат в черные дыры XTE J1118+480 путешествует по нашей Галактике — Млечному Пути. Предположительно, эта массивная двойная система включает в себя черную дыру, поглощающую материю соседней звезды. Была открыта в 2000 году благодаря исследованиям в рентгеновском диапазоне. Недавние радио- и архивные оптические наблюдения ее передвижения позволили вычислить ее орбиту. На изображении черная дыра обозначена фиолетовой точкой, Солнце — желтой. Расстояние между ними сейчас составляет 6 000 световых лет.

Перемещение XTE J1118+480 по Галактике за прошедшие 230 млн. лет показано оранжевой траекторией. Астрономы отметили, что орбита черной дыры вокруг галактического центра, огибающая сверху и снизу галактический газ, пыль и звезды напоминают орбиты шаровых звездных скоплений — древних обитателей нашей Галактики. Похоже, что и XTE J1118+480 тоже ведет свое происхождение от начала истории Млечного Пути.

Съемка рентгеновской обсерватории «Чандра», показывающая спектр объекта XTE J1118+480. Рентгеновские лучи представлены в виде полосок справа и слева от центра изображения. Эти лучи по своей энергии точно соответствуют высокоэнергетическим лучам у центра черной дыры и низкоэнергетическим — вдали от него.

Для поиска рентгеновских источников по всему небу в 1970 году на околоземную орбиту был запущен американский спутник «Ухуру», и с тех пор рентгеновские источники были открыты во многих двойных системах. В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, а значит, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронных звезд. А потому предполагается, что в этом случае невидимым компонентом является черная дыра.

Первым кандидатом в черные дыры стал невидимый источник рентгеновского излучения Лебедь-X1, находящийся на расстоянии 8 000 световых лет от Земли. Видимый компонент этой двойной звездной системы — нормальная звезда с массой около 30 масс Солнца, а невидимый — с массой более чем 6 солнечных масс. А так как никакая нейтронная звезда не может содержать больше 3 масс Солнца, то отождествление Лебедя-Х1 с черной дырой представляется вполне вероятным. Но чтобы доказать, что это действительно черная дыра, в соответствии с теорией Эйнштейна, нужны детальные исследования процессов, происходящих в непосредственной близости от «горизонта событий».

Факт существования черных дыр очень важен для космологии, ведь он непосредственно свидетельствует о том, как Вселенная может скрывать большую часть своей материи.

Будущие космические миссии сосредоточат свое внимание главным образом на исследовании мощных супермассивных черных дыр в центрах галактик. Планируются также наблюдения и исследования так называемых джетов, выбрасываемых из окрестностей черных дыр в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и растягивающихся на миллиарды километров от черной дыры. Обсерватории, регистрирующие гамма-излучение, занимаются их исследованиями для того, чтобы понять механизм их образования. Предусматривается также спектроскопия очень высокого разрешения, которая, как надеются ученые, позволит измерить две основные характеристики черных дыр: массу и момент вращения. Еще планируется получение изображения в основаниях джетов в радиодиапазоне с очень высоким разрешением, что поможет выяснить, как «питаются» черные дыры и как создаются джеты.

Предполагается также создание новой рентгеновской космической обсерватории, более мощной, чем запущенная НАСА в 1999 году «Чандра», которая позволит разрешить «горизонт событий» супермассивных черных дыр в ядрах как близких галактик, так и Млечного Пути.

ЛЮДМИЛА КНЯЗЕВА, кандидат физико-математических наук

Вверху слева: изображение в радиодиапазоне галактики М87 показывает гигантскую пузырящуюся структуру, излучающую радиоволны, которые, как предполагается, являются мощными выбросами субатомных частиц, выходящих из окрестностей черной дыры в галактическом центре. Цвет показывает интенсивность радиоэнергии, излучаемой джетами.

Вверху справа: оптическое изображение в видимом свете галактики М87, сделанное камерой «2» телескопа «Хаббл» в феврале 1998 года, показывает джет высокоскоростных электронов, вылетающих из ядра (диагональ, пересекающая поле изображения).

Внизу: съемка телескопом VLBA в радиодиапазоне области, прилегающей к черной дыре, где экстрагалактический джет формируется в узкий луч под воздействием магнитных полей. Искаженный цвет показывает интенсивность энергии, излучаемой джетами в радиодиапазоне. Район, выделенный красным цветом, имеет в поперечнике размер 1/10 светового года.

Модель галактики с супермассивной черной дырой в центре. Такие галактики называют массивными галактическими ядрами. Исходящие из ядра лучи — джеты

Формы проявления активности ядер в разных галактиках не одинаковы. Иногда — это большая мощность излучения в оптической, рентгеновской или инфракрасной областях спектра, меняющаяся в течение лет, месяцев или дней. В некоторых случаях в ядре наблюдается очень быстрое движение газа, образующего длинные прямолинейные выбросы — джеты.

Скорость отдельных газовых фрагментов нередко достигает тысяч километров в секунду. В некоторых галактиках ядра являются источниками высокоэнергичных элементарных частиц. Активные ядра характеризуются большой светимостью во всем диапазоне электромагнитного спектра. Эта огромная энергия выделяется из области диаметром меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. Что служит источником энергии для столь бурной активности?

Существует несколько гипотез, и одна из них предполагает, что в центре галактик скрыты черные дыры, массы которых достигают десятков и даже сотен миллионов масс Солнца. В результате падения вещества на черную дыру выделяется огромное количество энергии. Газовые массы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, и при столкновении вблизи черной дыры энергия движения преобразуется в электромагнитное излучение.

Астрономы использовали космический телескоп «Хаббл» и рентгеновскую обсерваторию «Чандра» для того, чтобы найти доказательства существования черных дыр. Недавние наблюдения сверхгигантской эллиптической галактики М87, расположенной на расстоянии 50 миллионов световых лет в скоплении Девы, показали, что в ее центре имеется компактный, сильно наклоненный к лучу зрения газовый диск. Скорость вращения ионизованного газа, содержащегося в нем на расстоянии примерно 3,5 пк от центра, достигает огромной величины — 600 км/сек.

Только гравитация объекта радиуса 3,5 пк с массой в 2 — 3 миллиона солнц могла бы заставить газ вращаться с такой скоростью. Некоторые астрономы полагают, что аккреционный диск этой галактики сформировался, когда некая маленькая галактика слишком близко подошла к М87 и была втянута в ее центральные области.

Раскрашенное рентгеновское изображение центральной области Млечного Пути, сделанное обсерваторией «Чандра». Яркая точка в центре показывает огромное рентгеновское излучение в Стрельце А. Во время наблюдений источник рентгеновского излучения в центре Галактики ярко светился несколько минут, а затем за 3 часа вернулся на предыдущий уровень. Быстрые изменения в мощности рентгеновского излучения обуславливаются тем, что вспышка была вызвана приближением вещества к черной дыре. Это наиболее впечатляющее подтверждение падения материи в черную дыру, которая, подобно топливу, увеличивает активность галактического центра.

В ядре нашей Галактики — Млечного Пути — были обнаружены звезды со скоростями собственных движений более 1 000 км/с. Вблизи центра Галактики, в области с радиусом 0,1 пк вокруг радиоисточника Стрелец А, который считается нетепловым ядром Галактики, 90 измеренных звезд движутся слишком быстро, и скорость их явно увеличивается с приближением к центру. Такие скорости объяснимы в том случае, если Стрелец А — черная дыра с массой, равной 2,6 миллиона масс Солнца. Существование черной дыры в нашей Галактике не представляет для землян никакой опасности в силу ее крайней удаленности. Но так как черная дыра «питается» звездной материей, возможно ли, что она, находясь в центре нашей Галактики, поглотит всю материю? Если Вселенная расширяется, как считается в настоящее время, то такое возможно, но на это потребуется очень много времени. Для того чтобы, «поедая» Галактику изнутри, добраться до нашего Солнца, черной дыре понадобится проглотить не менее 100 миллиардов солнц.

Вокруг Света 12,2001