Чёрные дыры Вселенной

Главная

Галерея

КАК ОБНАРУЖИТЬ ЧЁРНУЮ ДЫРУ?

Одиночные чёрные дыры. Как же увидеть чёрную дыру, возникшую при коллапсе звезды? Одиночную чёрную дыру можно обнаружить, только если она находится относительно недалеко от Солнца, поскольку светимость её на два порядка слабее светимости Солнца.

Межзвёздный газ, аккрецирующий на чёрную дыру, нагревается и может начать излучать. Основная часть излучения формируется вдали от чёрной дыры, поэтому по его свойствам трудно отличить чёрную дыру от одиночной нейтронной звезды, обладающим слабым магнитным полем или с диаграммой направленности излучения, препятствующей наблюдению её как пульсара.

Чёрные дыры в двойных системах. Гораздо более простой представляется задача обнаружения чёрной дыры, если она образует двойную систему вместе с обычной звездой. Случай, когда один из компонентов двойной системы в результате более быстрой эволюция образует чёрную дыру ещё при жизни своего менее массивного компаньона, является благоприятным для наблюдения по следующим причинам.

Во-первых, хотя сама чёрная дыра визуально не наблюдается, вращение видимой звезды вокруг общего центра масс приводит к периодическому изменению, связанному с эффектом Доплера, длин волн принимаемого излучения. Если массу видимой звёзды найти, воспользовавшись известной зависимостью спектральных характеристик звёзд от их массы, то, зная период вращения и максимальное значение проекции скорости видимой звезды на луч зрения наблюдателя, определяемые по характеристикам эффекта Доплера, можно вычислить минимальное значение массы невидимой компоненты. Если масса невидимой компоненты, определённая таким образом, окажется большой (например, порядка 5—10 солнечных масс), то это можно рассматривать как свидетельство того, что невидимая компонента является чёрной дырой, поскольку маловероятно для обычной звезды с такой большой массой остаться “невидимой”, а для звёзд-малюток (белых карликов и нейтронных звёзд) эти массы лежат вне допустимого предела их устойчивости. Предложение использовать “невидимость” в качестве, критерия при поиске чёрных дыр в двойных системах было высказано в начале 60-х гг. советскими астрофизиками Я. Б. Зельдовичем и О. X. Гусейновым. Однако среди звёзд, отобранных по этому признаку, чёрную дыру, к сожалению, обнаружить не удалось.

Аккреция на чёрную дыру в двойной системе

 

 

Аккреция на чёрную дыру в двойной системе. Сплошной стрелкой показано направление вращения аккреционного диска, пунктирной — вращения двойной системы относительно центра масс

 

Во-вторых, среди многочисленных двойных звёзд существует довольно много тесных двойных систем, у которых расстояние между компонентами сравнимо с суммой радиусов звёзд. Если чёрная дыра входит в состав такой системы, то скорость аккреции на неё значительно возрастает за счёт вещества, перетекающего от обычной звезды и может достигнуть величины 10-5 солнечной массы в год. Вещество, перетекающее от звезды, вследствие, вращения системы обладает большим угловым моментом, поэтому частицы не смогут сразу упасть на чёрную дыру и “вынуждены” занять круговую орбиту, соответствующую имеющемуся у них угловому моменту.

В среднем порции газа требуется несколько недель или месяцев для того, чтобы упасть в чёрную дыру.

Таким образом, вокруг чёрной дыры образуется диск из аккрецирующего вещества. Плоскость этого диска совпадает с плоскостью, в которой движутся компоненты двойной системы, его диаметр составляет несколько миллионов километров, а толщина меньше 150000 км. Работа гравитационных сил частично превращается в кинетическую энергию движения газа, частично, из-за трения, переходит в тепло и разогревает аккрецирующий газ, который начинает интенсивно излучать рентгеновские лучи. Светимость диска может в сотни тысяч раз превосходить общую светимость Солнца, поэтому поиск чёрных дыр целесообразно вести, изучая мощные компактные космические источники рентгеновского излучения.

Лебедь Х-1 — чёрная дыра? Один из рентгеновских источников в двойных системах, расположенный в созвездии Лебедя и получивший название Лебедь Х-1, привлёк к себе внимание. В 1971 г. в результате исследований этого источника на американском спутнике “Ухуру” и с помощью рентгеновских телескопов на высотных баллонах удалось с большой точностью установить его положение. В том же году были зарегистрированы изменения его рентгеновской светимости и одновременно с этим наблюдалось резкое возрастание излучения от радиоисточника, расположенного в этом же районе. Это позволило отождествить рентгеновский и радиоисточники и тем самым зафиксировать положение рентгеновского источника с точностью до угловой секунды. Внутри этой области была обнаружена горячая голубая звезда HDE 226868, которая оказалась спектрально двойной, с периодом 5,6 суток. Позднее было обнаружено, что и излучение рентгеновского источника обладает периодической компонентой с таким же периодом. Тем самым было доказано, что рентгеновский источник входит в двойную систему вместе со звездой HDE 226868. Эта звезда расположена на расстоянии более 6500 световых лет от Солнца, имеет массу более 20 солнечных масс, а масса её невидимого компаньона (источника рентгеновского излучения) оказалась более 8 масс Солнца. Поскольку эта масса существенно превышает предельную массу нейтронной звезды, то естественно предположить, что рентгеновский источник Лебедь Х-1 является чёрной дырой. Все, что нам известно об этом источнике, можно понять в рамках модели аккрецирующего диска вокруг чёрной дыры. Однако уникальность этого объекта и то огромное значение, которое имело бы для физики и астрофизики достоверное открытие первой чёрной дыры, заставляют астрофизиков относиться с огромной осторожностью к вынесению “окончательного приговора”. Можно надеяться, что в недалеком будущем после более тщательных и детальных исследований свойств этого объекта удастся полностью исключить другие мыслимые возможности, например, исключить возможность того, что Лебедь Х-1 является нейтронной звездой в тройной системе, и получить достоверное доказательство того, что первая чёрная дыра во Вселенной уже открыта.

Массивные и сверхмассивные чёрные дыры. Чёрные дыры могут служить крайне эффективными источниками энергии, обладая в принципе возможностью полного превращения массы покоя падающего на них вещества в энергию. Даже с учётом неизбежных потерь реально возможно превращение в чёрных дырах в энергию от нескольких процентов до десятков процентов массы аккрецируемого вещества. Поэтому о чёрных дырах вспоминают каждый раз, когда требуется объяснить выделение колоссальных энергий в компактных областях пространства. Одним из наиболее значительных примеров подобного “использования” чёрных дыр является идея объяснения активности ядер галактик и квазаров наличием в них чёрной дыры с массой порядка 108 солнечных масс. При падении на неё межзвёздного вещества, участвующего во вращении галактик и звёзд, вокруг такой чёрной дыры образуется аккреционный диск, максимум излучения которого лежит в ультрафиолетовом и оптическом диапазоне. Модель чёрной дыры в ядрах активных галактик и квазаров успешно выдерживает соревнование с другими возможными объяснениями природы активности ядер, например, такими как наличие в ядре компактного звёздного скопления или сверхмассивного вращающегося магнитоплазменного тела, однако окончательной ясности в этом вопросе нет.

Резюмируя краткий экскурс в теорию эволюции звёзд и астрофизику, подчеркнём, что при определённых условиях чёрные дыры должны возникать в качестве конечного продукта развития звезды, более того, имеются серьезные основания считать, что первая чёрная дыра уже открыта; сомнения, которые имеются, касаются главным образом того, как часто чёрные дыры образуются и действительно ли нам повезло, и мы уже наткнулись в созвездии Лебедя на чёрную дыру.