Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

• Название: Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
• Автор: Артур Миллер
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-389-02245-4

Артур Миллер, известный американский историк науки (сейчас живет в Лондоне), повествует о выдающихся открытиях астрофизиков XX века. В центре рассказа — судьба индийского физика, лауреата Нобелевской премии Субрахманьяна Чандрасекара, чьи теории во многом сформировали наши сегодняшние представления о Вселенной. Книга Миллера — об эволюции звезд, о белых карликах, красных гигантах, нейтронных звездах и о самых таинственных космических объектах — черных дырах, жадно пожирающих материю и энергию.

---

Ученые трудятся и над другими проектами. Одним из них является создание программы для суперкомпьютера в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли. Предполагается определить характер гравитационных волн, создаваемых при слиянии пары вращающихся черных дыр Керра с произвольными осями вращения. При столкновении и слиянии двух черных дыр образуется новая черная дыра, излучающая гравитационные волны, обладающие импульсом. Этот процесс вызывает отдачу, которая может вытолкнуть новообразованную дыру из центра галактики. Ядро галактики при этом «травмируется» и демонстрирует необычный спектр излучения. Мартин Рис предположил нечто еще более впечатляющее — отдача оказывается столь сильной, что черная дыра вырывается из своей галактики и устремляется в пространство, словно запущенная катапультой.

Своеобразный компаньон обсерватории «Чандра», космический телескоп «Хаббл», обнаружил поразительное явление — черную дыру, двигающуюся в нашей Галактике со скоростью 110 километров в секунду. Занесенная в каталог как GRO J1655-40, она стала первым известным примером черной дыры, отлетающей от массивной сверхновой звезды после ее взрыва. Ее перемещение можно проследить, так как она движется вместе с сопутствующей звездой-компаньоном, которую постепенно поглощает. Астрономы считают эту пару остатками от взрыва сверхновой, породившей черную дыру. Звезда-компаньон вращается вокруг GRO J1655-40 с периодом 2,6 дня. К счастью, GRO J1655-40 находится на безопасном от нас расстоянии — нас разделяют примерно 58000-86000 триллионов километров.

Обсерватория «Чандра» предназначена также и для изучения струй (джетов), исходящих из квазаров. Наблюдения показывают, что струи вылетают из черной дыры в центре квазара со скоростью, примерно равной половине скорости света. С помощью обсерватории «Чандра» было обнаружено рентгеновское излучение в отдалении от центра галактики, где струи прорываются через облако газа и затормаживаются. Астрономы надеются, что данные, полученные благодаря «Чандре», помогут понять, как эти струи влияют на окружающее пространство.

Обсерватория «Чандра» даже «услышала музыку» черной дыры. Этот космический концерт создала сверхмассивная черная дыра в скоплении галактик созвездия Персея, на расстоянии 2400 триллионов триллионов километров от Земли. Почти трехсуточные наблюдения и последующая обработка изображений позволили обнаружить волны вблизи черной дыры, которые оказались звуковыми. Считается, что они вызваны многочисленными взрывами в окрестностях черной дыры, происходящими при падении на нее значительного количества газообразной материи из галактик, поглощаемых дырой. По тону звук соответствует си-бемоль, но мы не можем его слышать — он на пятьдесят семь октав ниже среднего до. А ведь клавиатура пианино имеет всего семь октав. Гул черной дыры более чем в миллион миллиардов раз ниже, чем звуки, улавливаемые человеческим ухом. Рев черной дыры — самая низкая нота во Вселенной.

Один из самых удивительных объектов обнаружен прямо в центре нашей Галактики — на Млечном Пути, на расстоянии 268 тысяч триллионов километров. Благодаря наблюдениям в радио-, инфракрасном и рентгеновском диапазонах, астрономы проникли сквозь мрак густой межзвездной пыли, окружающей ядро Галактики. Оказалось, что в самом ее центре находится невероятно мощный источник радиоволн и видимого света — слишком мощный, чтобы исходить от звезды, пульсара или фрагмента взорвавшейся сверхновой. Астрофизики предполагают, что в центре каждой галактики существует черная дыра и что наблюдаемый объект на Млечном Пути — такая массивная черная дыра, питаемая аккреционным диском. Ее назвали Стрелец A* (Sagittarius А*, или Sgr А*).

В 1996 году астрономы начали создавать точные трехмерные карты звездных скоплений, вращающихся в этом районе Вселенной. Данные, полученные в течение десяти лет с помощью камер высокого разрешения и телескопа Южной европейской обсерватории в Сьерро-Паранале в Чили, подтвердили, что звездные скопления перемещаются вокруг источника излучения, не являющегося звездой, и что темный объект находится именно там, где и компактный источник рентгеновского излучения Sgr А*. Ближайшая к нам звезда S2 делает полный оборот вокруг Sgr А* каждые 15,2 года на расстоянии 16 миллиардов километров. Эти данные позволили астрофизикам с большой точностью вычислить, что масса Sgr А* в 4 миллиона раз больше массы Солнца, а горизонт событий равен 22,4 миллиона километров — это меньше орбиты Земли вокруг Солнца. Sgr А* вращается вокруг своей оси с периодом 11 минут.

Нечто массивное и притом столь компактное — это может быть только сверхмассивная черная дыра, и прямо в центре нашей Галактики! Эта гипотеза полностью соответствует результатам наблюдений. Как и утверждал Чандра, красота и простота управляют миром…

Астрономы продолжают изучать Sgr А* и накапливать данные, которые позволят понять, как рождается и развивается сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Даже после вспышки Sgr А* испускает рентгеновские лучи сравнительно низкой интенсивности, характерные для «голодной» черный дыры, возникшей после взрыва сверхновой, который уничтожил большую часть межзвездного газа вокруг нее, и дыра испаряется, — ненасытный, пожирающий галактики космический пылесос. Чандра был бы очарован панорамой небесного свода — мозаикой из тридцати отдельных изображений, полученных обсерваторией «Чандра» в июле 2001 года. Она демонстрирует вытянутые части ядра Млечного Пути размером от 3800 до 8600 триллионов километров. При тщательном рассмотрении можно отметить сотни белых карликов, нейтронных звезд и вспышки рентгеновского излучения черных дыр в облаке раскаленных газов с температурой много миллионов градусов Кельвина. Sgr А* находится справа от яркого пятна в центре фотографии.

Коллапсирующая звезда вращается все быстрее и быстрее, а вращающийся аккреционный диск ускоряет это вращение. Однако данную теорию не удавалось проверить до сентября 2003 года, когда это было сделано с помощью космической обсерватории «Чандра». Перемещаясь в пространстве, черная дыра поглощает газ звезды-компаньона, вращающийся вокруг черной дыры и расширяющий ее аккреционный диск. Если дыра не имеет компаньона, она затягивает окружающий межзвездный газ с образованием диска. Перемещаясь в направлении черной дыры, газ нагревается до десятков миллионов градусов Кельвина. Атомы железа в этом газе излучают отчетливые сигналы в рентгеновской области спектра и позволяют определить орбиты частиц в окружении черной дыры. Расстояние частиц от черной дыры зависит от кривизны пространства-времени вблизи нее. Если черная дыра вращается, то она увлекает вместе с собой пространство-время и скручивает эту область в воронку, у которой горизонт событий меньше, чем у самой дыры. В результате орбиты частиц оказываются ближе к вращающейся черной дыре, чем к невращающейся. Уменьшение диаметра орбит может быть обнаружено по рентгеновскому излучению этих частиц, которое в случае вращающейся черной дыры имеет большую длину волны, чем для невращающейся. Для этих частиц гравитационное красное смещение должно быть более заметно, так как они ближе к горизонту событий. При наблюдении рентгеновского излучения атомов железа, вращающихся вокруг черных дыр, астрофизики обнаружили, что частицы находятся на расстоянии всего 32 километров от горизонта событий. Орбиты частиц вокруг Лебедя X-1 находятся более чем в 160 километрах от горизонта событий, что позволило астрофизикам признать Лебедь X-1 невращающейся черной дырой. Это следует из сложных математических моделей аккреционных дисков. Однако до сих пор не появилось надежных методов различения вращающихся и невращающихся черных дыр. У некоторых черных дыр звезда-компаньон прекращает свое существование до того, как у дыры образуется спин заметной величины. Возможно, так случилось и с Лебедем X-1, хотя астрофизикам еще предстоит выяснить, вращается ли эта звезда. Почему некоторые черные дыры вращаются быстрее других? Дело в том, что спин черной дыры может быть результатом сложения момента вращения коллапсирующей звезды, момента вращения ее компаньона и хаотического потока разогретого газа из аккреционного диска, а он не всегда вращается в том же направлении.

Обсерватория «Чандра» зарегистрировала множество фантастических космических событий. В одном из неравных гравитационных столкновений звезда с массой нашего Солнца была случайно сбита с курса другой звездой и исчезла вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики RX J1242-11 в созвездии Девы. Черная дыра с массой в 100 миллионов больше Солнца разорвала в клочья незваного гостя и вызвала одну из самых мощных рентгеновских вспышек, когда-либо зарегистрированных в этой галактике. Обсерватория «Чандра» зарегистрировала эту катастрофу 9 марта 2001 года. Ее заметили также космическая рентгеновская обсерватория «XMM-Newton» и рентгеновская обсерватория ROSAT (разработанная учеными из Германии, Великобритании и США). Уникальное событие было предсказано сразу после появления теории черных дыр, но никогда до того не наблюдалось[93].