Черные дыры средней массы существуют, доказали астрономы

В июле прошлого года в Nature была опубликована статья группы ученых во главе с сотрудниками Тулузского университета, группа занималась поиском ультрамощных рентгеновских источников — объектов, светимость которых превышает максимально возможную светимость для объектов звездной массы. Используя наблюдения космического рентгеновского телескопа Newton Европейского космического агентства (ESA), ученые обнаружили в галактике ESO 243-29, которая удалена от нас на 300 млн световых лет (в то время как свет до Земли от Солнца идет 8 с небольшим минут, а от ближайшей к нам звезды, не являющейся Солнцем, — более четырех лет), очень яркий рентгеновский источник. Максимальная светимость этого объекта составляет 1,1.10 42 эрг/с, что, к примеру, в 260 млн раз превышает светимость Солнца в рентгеновском диапазоне. Источник получил название HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), что переводится как «гипермощный рентгеновский источник номер один».

Оценка яркости позволила ученым предположить, что данный объект является черной дырой массой не менее 500 солнечных масс.

До сих пор у астрономов были наблюдаемые свидетельства существования только двух типов черных дыр — одни сверхмассивные, а другие с массами как у звезд.

Один вид — это черные дыры, массы которых сравнимы с массами звезд (3—20 масс Солнца). Эти дыры возникают в конце жизни массивных звезд, и на данный момент астрономам известно несколько десятков таких объектов. Зато сверхмассивных черных дыр (с массой порядка 10 9 масс Солнца и более) известно гораздо больше — их количество уже превысило тысячу. Это легко объясняется тем, что астрономы знают, где искать такие дыры: они находятся в ядрах галактик.

Согласно довольно распространенной теории, сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияния черных дыр меньшей массы. Однако черные дыры средней массы никак не удавалось обнаружить, и ученым, работающим в этом направлении, пока похвастаться было нечем, кроме нескольких невыдающихся кандидатов.

За прошедший год ученые провели новые наблюдения и подтвердили свои предположения о том, что HLX-1 является черной дырой средней массы.

В ходе исследований ученые наблюдали HLX-1 на VLT — телескопе Южной европейской обсерватории (ESO) в Чили. По наблюдениям в оптическом диапазоне им удалось определить точное расстояние до объекта и подтвердить, что он «действительно находится в этой галактике и не является ни звездой, ни фоновым источником».

«После нашей предыдущей работы мы очень хотели выяснить, насколько предложенная нами модель соответствует действительности, — рассказал Клаас Вирсема, ведущий автор статьи. — На изображениях с больших телескопов мы видели небольшой оптический источник на месте нашего рентгеновского объекта. Наблюдения на VLT подтвердили, что это оптическое излучение связано с HLX-1. Мы определили точное расстояние до объекта, подтвердили, что там есть черная дыра. Теперь мы хотим узнать, почему этот источник так ярко светит в рентгене и как он попал в большую галактику».

Ранее считалось, что столь яркие рентгеновские источники, как HLX-1, не могут быть такими яркими, так как черная дыра должна поглощать большую часть света, который проходит мимо нее.

«Очень трудно объяснить физику этого объекта без наличия черной дыры промежуточной массой от 500 до 10 000 масс Солнца, — говорит один из авторов статьи, Шон Фаррелл. — Таким образом, но это только пока, источник HLX-1 находится вне контроля со стороны международного астрономического сообщества».

В дальнейших планах ученых — наблюдения на космическом телескопе имени Хаббла и попытка найти другие источники, подобные HLX-1.

Черные дыры во Вселенной

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черная дыра - область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

Образование черных дыр

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела. Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей 3. 3. 3. Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 4,31х10 6 М, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.

4. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

Эволюция черных дыр

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые - это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Но продолжает оставаться загадкой, как образуются и существуют черные дыры средней массы? Речь идет о так называемых черных дырах с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца.

Доказательства происхождения этих объектов остается спорным. До сих пор не было обнаружено более чем одной такой черной дыры в одной галактике. Но группа исследователей нашла в результате изучения рентгеновских данных две средние по массе черные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли.

По особенностям излучения, испускаемого черными дырами в M82, исследователи заключили, что масса одной из черных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч солнечных масс, а масса второй - от 200 до 800 масс Солнца. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект, расположен на расстоянии 600 световых лет в проекции от центра галактики.

"Впервые были обнаружены две средние по массе черные дыры в одной галактике, - поделился один из исследователей Хуа Фэн из Университета Цинхуа, Китай. - Их расположение вблизи центра галактики может содержать сведения о происхождении крупнейших черных дыр во Вселенной, таких как сверхмассивные черные дыры, которые найдены в центрах большинства галактик".

Одним из возможных механизмов для формирования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновения звезд и компактных звездных скоплений, что приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в черные дыры промежуточной массы. Далее промежуточные черные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

"Мы не можем сказать точно, является ли подобный процесс формирования черных дыр в M82 подтверждением этой теории, но мы точно знаем, что обе эти средние черные дыры расположены вблизи звездных скоплений, - сказал Фил Карет из Университета штата Айова, один из авторов статьи. - Кроме того, M82 является ближайшей к нам галактикой, где условия аналогичны тем, которые были в ранней Вселенной, с наличием большого количества звезд".

До сих пор астрономы точно не знали, могут ли присутствовать в одной галактике сразу две черные дыры средней массы. Возможно, открытие прольет свет на процессы образования и эволюции сверхмассивных черных дыр в галактиках.

Разновидности черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс. Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, изгелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара.

Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера - Волкова.

Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2-3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал - несколько десятков километров.

Впоследствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества - как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики - Стрелец A

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3 10 15 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2 10 -3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе - их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра - планковская чёрная дыра. Её масса - порядка 10 −5 г, радиус - 10 −35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 10 26 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.



Черная дыра – это астрономическая область в пространстве и времени, внутри которой гравитационное притяжение стремится к бесконечности. Чтобы покинуть черную дыру, объекты должны достичь скорости, намного превышающей скорость света. А так как это невозможно, то даже кванты самого света не излучаются из области черной дыры. Из всего этого следует, что область черной дыры абсолютно невидима для наблюдателя независимо от того, насколько удаленно от него она находится. Поэтому обнаружить и определить размеры и массу черных дыр можно только анализируя обстановку и поведение объектов, находящихся рядом с ними.

На 20 симпозиуме по релятивистской астрофизике в Техасе, прошедшем в 2001 года, астрономы Карл Гебхардт и Джон Корменди метод практических измерений масс близлежащих черных дыр, дающие астрономам возможность получения информации о росте черных дыр. С помощью этого метода было и 19 новых черных дыр в дополнение к уже известным в то время 19. Все они являются сверхмассивными и имеют вес от одного до миллиарда солнечных масс. Располагаются они в центрах галактик.

Метод измерений масс основан на наблюдении за перемещением звезд и газа около центров их галактик. Такие измерения могут проводиться только при высоком пространственном разрешении, которое могут обеспечивать космические телескопы типа Hubble или NuSTAR. Суть метода заключается в анализе изменчивости квазаров и обращения огромных газовых вокруг дыры. Яркость излучения вращающихся газовых облаков напрямую зависит от энергии рентгеновского излучения черной дыры. Так как свет имеет строго определенную скорость, изменения яркости газовых облаков для наблюдателя видны позже, чем изменение яркости центрального источника излучения. По разнице во времени вычисляется расстояние от облаков газа до центра черной дыры. Вместе со скоростью вращения газовых облаков вычисляется и масса черной дыры. Однако данный способ включает неопределенность, так как не существует способа проверить правильность конечного результата. С другой стороны, данные, получаемые этим методом, соответствуют зависимости между массами черных дыр и массами галактик.

Классический способ измерения массы черной дыры, предложенный современником Эйнштейна Шварцшильдом, описывается формулой M=r*c^2/2G, где r – гравитационный радиус черной дыры, с – скорость света, G – гравитационная постоянная. Однако эта точно описывает массу изолированной, невращающейся, незаряженной и не испаряющейся черной дыры.

Совсем новый способ определения масс черных дыр, давший возможность открывать и изучать черные дыры «среднего ». Он основан на радиоинтерференционном анализе джетов – выбросов материи, образующихся во время поглощения черной дырой массы из окружающего ее диска. Скорость джетов может быть выше половины скорости света. А так как разогнанная до таких скоростей масса излучает рентгеновское излучение, она может быть зарегистрирована радиоинтерферометром. Метод математического моделирования таких джетов позволяет получить более точные значения средних масс черных дыр.

Каждый человек, знакомящийся с астрономией, рано или поздно испытывает сильное любопытство по поводу самых загадочных объектов Вселенной - черных дыр. Это настоящие властелины мрака, способные «проглотить» любой проходящий поблизости атом и не дать ускользнуть даже свету, - настолько мощно их притяжение. Эти объекты представляют настоящую проблему для физиков и астрономов. Первые пока еще не могут понять, что же происходит с упавшим внутрь черной дыры веществом, а вторые хоть и объясняют самые энергозатратные явления космоса существованием черных дыр, никогда не имели возможности наблюдать ни одну из них непосредственно. Мы расскажем об этих интереснейших небесных объектах, выясним, что уже было открыто и что еще предстоит узнать, чтобы приподнять завесу тайны.

Что такое черная дыра?

Название «черная дыра» (по-английски - black hole) было предложено в 1967 году американским физиком-теоретиком Джоном Арчибальдом Уилером (см. фото слева). Оно служило для обозначения небесного тела, притяжение которого настолько сильно, что не отпускает от себя даже свет. Потому она и «черная», что не испускает света.

Косвенные наблюдения

В этом кроется причина такой таинственности: поскольку черные дыры не светятся, мы не можем увидеть их непосредственно и вынуждены искать и изучать их, используя лишь косвенные свидетельства, которые их существование оставляет в окружающем пространстве. Иными словами, если черная дыра поглощает звезду, мы не видим черную дыру, но можем наблюдать разрушительные последствия воздействия ее мощного гравитационного поля.

Интуиция Лапласа

Несмотря на то, что выражение «черная дыра» для обозначения гипотетической финальной стадии эволюции звезды, сколлапсировавшей в себя под воздействием силы тяжести, появилось сравнительно недавно, идея о возможности существования таких тел возникла более двух веков назад. Англичанин Джон Мичелл и француз Пьер-Симон де Лаплас независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании «невидимых звезд»; при этом они основывались на обычных законах динамики и законе всемирного тяготения Ньютона. Сегодня черные дыры получили свое правильное описание на основе общей теории относительности Эйнштейна.

В своем труде «Изложение системы мира» (1796) Лаплас писал: «Яркая звезда той же плотности, что и Земля, диаметром, в 250 раз превосходящим диаметр Солнца, благодаря своему гравитационному притяжению не позволила бы световым лучам добраться до нас. Следовательно, возможно, что самые крупные и самые яркие небесные тела по этой причине являются невидимыми».

Непобедимое тяготение

В основе идеи Лапласа лежало понятие скорости убегания (второй космической скорости). Черная дыра является настолько плотным объектом, что ее притяжение способно задержать даже свет, развивающий наибольшую в природе скорость (почти 300000 км/с). На практике, для того чтобы убежать из черной дыры, требуется скорость выше скорости света, но это невозможно!

Это означает, что звезда такого рода будет невидимой, поскольку даже свету не удастся преодолеть ее мощную гравитацию. Эйнштейн объяснял этот факт через явление отклонения света под воздействием гравитационного поля. В реальности вблизи черной дыры пространство-время настолько искривлено, что траектории световых лучей также замыкаются на самих себе. Для того чтобы превратить Солнце в черную дыру, мы должны будем сосредоточить всю его массу в шаре радиусом 3 км, а Земля должна будет превратиться в шарик радиусом 9 мм!

Виды черных дыр

Еще около десяти лет назад наблюдения позволяли предположить существование двух видов черных дыр: звездных, масса которых сравнима с массой Солнца или ненамного превышает ее, и сверхмассивных, масса которых - от нескольких сотен тысяч до многих миллионов масс Солнца. Однако относительно недавно рентгеновские изображения и спектры высокого разрешения, полученные с искусственных спутников типа «Чандра» и «ХММ-Ньютон», вывели на авансцену третий тип черной дыры -с массой средней величины, превосходящей массу Солнца в тысячи раз.

Звездные черные дыры

Звездные черные дыры стали известны раньше других. Они формируются тогда, когда звезда большой массы в конце своего эволюционного пути исчерпывает запасы ядерного горючего и коллапсирует сама в себя из-за собственной гравитации. Потрясающий звезду взрыв (это явление известно под названием «взрыва сверхновой») имеет катастрофические последствия: если ядро звезды превосходит массу Солнца более чем в 10 раз, никакая ядерная сила не способна противостоять гравитационному коллапсу, результатом которого будет появление черной дыры.

Сверхмассивные черные дыры

Иное происхождение имеют сверхмассивные черные дыры, впервые отмеченные в ядрах некоторых активных галактик. Относительно их рождения есть несколько гипотез: звездная черная дыра, которая в течение миллионов лет пожирает все окружающие ее звезды; слившееся воедино скопление черных дыр; колоссальное газовое облако, коллапсирующее непосредственно в черную дыру. Эти черные дыры являются одними из самых насыщенных энергией объектов космоса. Они расположены в центрах очень многих галактик, если не всех. Наша Галактика тоже имеет такую черную дыру. Иногда благодаря наличию такой черной дыры ядра этих галактик становятся очень яркими. Галактики с черными дырами в центре, окруженными большим количеством падающего вещества и, следовательно, способными произвести колоссальное количество энергии, называются «активными», а их ядра -«активными ядрами галактик» (AGN). Например, квазары (самые удаленные от нас космические объекты, доступные нашему наблюдению) являются активными галактиками, у которых мы видим только очень яркое ядро.

Средние и «мини»

Еще одной тайной остаются черные дыры средней массы, которые, согласно недавним исследованиям, могут оказаться в центре некоторых шаровых скоплений, таких, например, как М13 и NCC 6388. Многие астрономы высказываются об этих объектах скептически, но некоторые новейшие исследования позволяют предположить наличие черных дыр средних размеров даже недалеко от центра нашей Галактики. Английский физик Стивен Хокинг выдвинул также теоретическое предположение о существовании четвертого вида черной дыры - «мини-дыры» с массой лишь в миллиард тонн (что примерно равно массе большой горы). Речь идет о первичных объектах, то есть появившихся в первые мгновения жизни Вселенной, когда давление было еще очень высоким. Впрочем, пока не обнаружено ни одного следа их существования.

Как найти черную дыру

Всего несколько лет назад над черными дырами «зажегся свет». Благодаря постоянно совершенствуемым приборам и технологиям (как наземным, так и космическим) эти объекты становятся все менее загадочными; точнее, менее загадочным становится окружающее их пространство. В самом деле, коль скоро сама черная дыра невидима, мы можем распознать ее только в том случае, если она окружена достаточным количеством вещества (звезд и горячего газа), обращающегося вокруг нее на небольшом удалении.

Наблюдая за двойными системами

Некоторые звездные черные дыры были обнаружены в процессе наблюдения орбитального движения звезды вокруг невидимого компаньона по двойной системе. Тесные двойные системы (то есть состоящие из двух очень близких друг к другу звезд), один из компаньонов в которых невидим, - излюбленный объект наблюдений астрофизиков, ищущих черные дыры.

Указанием на наличие черной дыры (или нейтронной звезды) служит сильная эмиссия рентгеновских лучей, вызванная сложным механизмом, который можно схематически описать следующим образом. Благодаря своей мощной гравитации черная дыра может вырывать вещество из звезды-компаньона; этот газ распределяется в форме плоского диска и падает по спирали в черную дыру. Трение, возникающее в результате столкновений частичек падающего газа, нагревает внутренние слои диска до нескольких миллионов градусов, что вызывает мощное излучение рентгеновских лучей.

Наблюдения в рентгеновских лучах

Проводящиеся уже несколько десятилетий наблюдения в рентгеновских лучах объектов нашей Галактики и соседних галактик позволили обнаружить компактные двойные источники, примерно десяток из которых представляет собой системы, содержащие кандидатов в черные дыры. Основной проблемой является определение массы невидимого небесного тела. Значение массы (пусть и не очень точное) можно найти, изучая движение компаньона или, что намного труднее, измеряя интенсивность рентгеновского излучения падающего вещества. Эта интенсивность связана уравнением с массой тела, на которое падает это вещество.

Нобелевский лауреат

Нечто подобное можно сказать и в отношении сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых в ядрах многих галактик, массы которых оцениваются через измерение орбитальных скоростей газа, проваливающегося в черную дыру. В этом случае вызванный мощным гравитационным полем очень крупного объекта быстрый рост скорости газовых облаков, обращающихся по орбите в центре галактик, выявляется наблюдениями в радиодиапазоне, а также в оптических лучах. Наблюдения в рентгеновском диапазоне могут подтвердить повышенное выделение энергии, вызванное падением вещества внутрь черной дыры. Исследования в рентгеновских лучах в начале 1960-х годов начал работавший в США итальянец Риккардо Джаккони. Присужденная ему в 2002 году Нобелевская премия стала признанием его «новаторского вклада в астрофизику, что привело к открытию в космосе источников рентгеновского излучения».

Лебедь X-1: первый кандидат

Наша Галактика не застрахована от наличия объектов-кандидатов в черные дыры. К счастью, ни один из этих объектов не находится настолько близко к нам, чтобы представлять опасность для существования Земли или Солнечной системы. Несмотря на большое количество отмеченных компактных источников рентгеновского излучения (а это наиболее вероятные кандидаты для нахождения там черных дыр), у нас нет уверенности в том, что они на самом деле содержат черные дыры. Единственным среди этих источников, не имеющим альтернативной версии, является тесная двойная система Лебедь X-1, то есть наиболее яркий источник рентгеновского излучения, в созвездии Лебедь.

Массивные звезды

Эта система, орбитальный период которой составляет 5,6 суток, состоит из очень яркой голубой звезды большого размера (ее диаметре 20 раз превосходит солнечный, а масса - примерно в 30 раз), легко различимой даже в ваш телескоп, и невидимой второй звезды, масса которой оценивается в несколько солнечных масс (до 10). Расположенная на расстоянии 6500 световых лет от нас вторая звезда была бы отлично видна, если бы она была обычной звездой. Ее невидимость, производимое системой мощное рентгеновское излучение и, наконец, оценка массы заставляют большинство астрономов думать о том, что это - первый подтвержденный случай обнаружения звездной черной дыры.

Сомнения

Впрочем,есть и скептики. Среди них один из крупнейших исследователей черных дыр физик Стивен Хокинг. Он даже заключил пари с американским коллегой Килом Торном - ярым сторонником классификации объекта Лебедь X-1 как черной дыры.

Спор о сущности объекта Лебедь X-1 - не единственное пари Хокинга. Посвятив несколько девятилетий теоретическим исследованиям черных дыр, он убедился в ошибочности своих прежних представлений об этих загадочных объектах.. В частности, Хокинг предполагал, что вещество после падения в черную дыру исчезает навсегда, а с ним исчезает и весь его информационный багаж. Он был настолько в этом уверен, что заключил на эту тему в 1997 году пари с американским коллегой Джоном Прескйллом.

Признание ошибки

21 июля 2004 года в своем выступлении на конгрессе по теории относительности в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла. Черные дыры не приводят к полному исчезновению вещества. Более того, они обладают определенного рода «памятью». Внутри них вполне могут храниться следы того, что они поглотили. Таким образом, «испаряясь» (то есть медленно испуская излучение вследствие квантового эффекта), они могут возвращать эту информацию нашей Вселенной.

Черные дыры в Галактике

Астрономы еще питают множество сомнений относительно наличия в нашей Галактике звездных черных дыр (подобных той, что принадлежит двойной системе Лебедь X-1); но в отношении сверхмассивных черных дыр сомнений гораздо меньше.

В центре

В нашей Галактике имеется минимум одна сверхмассивная черная дыра. Ее источник, известный под именем Стрелец А*, точно локализован в центре плоскости Млечного Пути. Его название объясняется тем, что это самый мощный радиоисточник в созвездии Стрелец. Именно в этом направлении расположены как геометрический, так и физический центры нашей галактической системы. Находящаяся на расстоянии около 26000 световых лет от нас сверхмассивная черная дыра, связанная с источником радиоволн Стрелец А*, обладает массой, которая оценивается примерно в 4 млн солнечных масс, заключенных в пространстве, объем которого сравним с объемом Солнечной системы. Ее относительная близость к нам (эта сверхмассивная черная дыра, без сомнения, ближайшая к Земле) стала причиной того, что в последние годы объект подвергся особенно глубокому исследованию при помощи космической обсерватории «Чандра». Выяснилось, в частности, что он также представляет собой мощный источник рентгеновского излучения (но не столь мощный, как источники в активных ядрах галактик). Стрелец А*, возможно, является «спящим» остатком того, что миллионы или миллиарды лет назад было активным ядром нашей Галактики.

Вторая черная дыра?

Впрочем, некоторые астрономы считают, что в нашей Галактике имеется еще один сюрприз. Речь идет а второй черной дыре средней массы, удерживающей вместе скопление молодых звезд и не позволяющей им упасть в сверхмассивную черную дыру, расположенную в центре самой Галактики. Как же может быть, чтобы на расстоянии меньше одного светового года от нее могло находиться звездное скопление возраста, едва достигшего 10 млн лет, то есть, по астрономическим меркам, очень молодое? По мнению исследователей, ответ заключается в том, что скопление родилось не там (среда вокруг центральной черной дыры слишком враждебна для звездообразования), но было «притянуто» туда благодаря существованию внутри него второй черной дыры, которая и обладает массой средних значений.

На орбите

Отдельные звезды скопления, притянутое сверхмассивной черной дырой, начали смещаться в сторону галактического центра. Однако вместо того чтобы рассеяться в космосе, они остаются собранными вместе благодаря притяжению второй черной дыры, расположенной в центре скопления. Масса этой.черной дыры может быть оценена на основании ее способности держать «на поводке» целое звездное скопление. Черная дыра средних размеров, видимо, совершает оборот вокруг центральной черной дыры примерно за 100 лет. Это означает, что продолжительные наблюдения в течение многих лет позволят нам ее «увидеть».

Черные дыры средней массы в ядрах галактик

Черная дыра средней массы весит примерно как десять тысяч Солнц. Это в десять тысяч раз меньше, чем масса Гаргантюа, но в тысячу раз больше, чем вес обычных черных дыр, – как раз то, что нужно Куперу для маневров.

Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд, которые называют шаровыми звездными скоплениями. И некоторые из них с немалой долей вероятности попадают в ядра галактик, туда, где располагаются гигантские черные дыры.

Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику (рис. 7.4), в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд – до тысячи звезд на кубический световой год. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. Данный след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение; этот процесс называется динамическим трением. По мере того как дыра средней массы замедляется, ее затягивает ближе к гигантской черной дыре. Таким образом, природа (в Кип-версии) может «снабдить» Купера черной дырой средней массы, необходимой для его гравитационных маневров.

Рис. 7.4. Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы постепенно замедляется и притягивается все ближе к гигантской черной дыре

Из книги Черные дыры и молодые вселенные автора Хокинг Стивен Уильям

11. Черные дыры и младенцы-вселенные16 Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. Па самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Как я покажу ниже, есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны

Из книги Черные дыры и структура пространства-времени [лекция] автора Малдасена Хуан

1. Черные дыры Черные дыры - один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы

Из книги Тайны пространства и времени автора Комаров Виктор

2. Черные дыры и квантовая механика Следующий сюрприз ждал ученых, когда они занялись изучением квантовых эффектов. В квантовой механике вакуум - это не просто полное отсутствие элементарных частиц. Вакуум - это весьма интересное состояние пространства, в котором

Из книги Занимательно о космогонии автора Томилин Анатолий Николаевич

Из книги Твиты о вселенной автора Чаун Маркус

«Черные» и «белые дыры» вселенной В марте 1974 года в Государственном астрономическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР появилось у входа любопытное объявление. На объединенном семинаре должен был читаться доклад под названием «Взрываются ли „белые дыры“?». Научный

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

77. Что такое черные дыры? Черная дыра представляет собой область пространства, где градация настолько сильна, что даже свет - самая быстрая вещь в о Вселенной - не может покинуть ее. Поэтому она такая.Черная дыра, как полагают, образовалась в результате гибели очень

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Из книги Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] автора Петров Александр Николаевич

Черные дыры Если звезда в 10–50 раз превосходит размерами наше Солнце, тогда гравитация будет продолжать сжимать ее даже после превращения в нейтронную звезду. В отсутствие силы термоядерных реакций, противостоящей силе притяжения, ничто не может помешать окончательному

Из книги Черные дыры и складки времени [Дерзкое наследие Эйнштейна] автора Торн Кип Стивен

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Глава 8 Черные дыры Горизонт стремительно загибался всё круче и круче, и казалось, что все мы находимся на дне колоссального кувшина. Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу» Темные звезды Мичелла-Лапласа Как ни странно, чтобы начать

Из книги автора

Черные дыры и релятивистские звезды во Вселенной Думаю, что для создания шмеля требуется больше мудрости, чем для создания черной дыры. Юстейн Горде «Апельсиновая девушка» Теперь мы много знаем о черных дырах, но все выводы сделаны на основании теоретических положений.

Из книги автора

Черные дыры в многомерной ОТО Итак, шаг за шагом многомерные пространства становятся неотъемлемой частью различных физических моделей. Вместе с этим все больше внимания привлекает и обобщение ОТО на более чем четыре измерения (без других модификаций и дополнений), так

Из книги автора

3 ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ОТКРЫТЫ И ОТВЕРГНУТЫ глава, в которой законы искривленного пространства Эйнштейна предсказывают черные дыры, а сам Эйнштейн их отвергает«Важным результатом этого исследования, - писал Эйнштейн в технической статье в 1939 г., - является объяснение того,

Из книги автора

5. Черные дыры Черная дыра Гаргантюа играет в «Интерстеллар» ключевую роль. В этой главе мы ознакомимся с общими сведениями о черных дырах, а в следующей – перейдем непосредственно к Гаргантюа. Начну я со странного заявления: черные дыры состоят из искривленного

Из книги автора

Черные дыры и аккреционные диски Но как из столь маленькой области может исходить так много энергии? Если взять фундаментальные силы природы, то вариантов три: химическая энергия, ядерная энергия или гравитационная энергия.Химическая энергия – это энергия, которая

Из книги автора

Глава 5. Черные дыры Больше о черных дырах и о том, как мы узнали о них то, что, как нам кажется, мы знаем: «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe , а также лекция, которую я прочитал в 2012 году на вечере в честь