Что такое Черные дыры и откуда они появляются?
О черных дырах читали или слышали почти все. Но трудно отыскать того, кто мог бы правильно и внятно объяснить суть этих таинственных провалов космоса.
Взрыв сверхновой далеко не всегда образует именно нейтронную звезду и может породить один из самых загадочных объектов нашего мира — коллапсар, или черную дыру замерзшей звезды.
Провал пространства-времени
Любая материя, попавшая в черную дыру провала пространства-времени, навсегда исчезает из нашей реальности и, естественно, не сможет стать частью новой звезды. Звезды, перешедшие критический предел своей массы, как бы проваливаются внутрь самих себя, навсегда превращаясь в черные овалы застывших звезд.
Увидеть эти странные тела не проще, чем найти черную кошку в темной комнате, но если черная дыра входит в тесную двойную систему, то она начинает искажать орбиту своего звездного партнера и на границе оболочки будет излучать поток плазмы, перетекающий от «нормальной» звезды. Тем не менее все эти эффекты пока лишь указывают на наличие кандидатов в гравитационные коллапсары черных дыр, и хотя астрономы говорят об этих «монстрах Вселенной» весьма уверенно, как о совершенно реальных объектах, никто еще их непосредственно не наблюдал.
Гравитационный коллапсар
Замкнутый свет звезды Мичелла — Лапласа
В конце XVIII века английский математик Джон Мичелл и французский астроном, физик и математик Пьер-Симон Лаплас рассмотрели ситуацию, когда луч света в принципе не может покинуть поверхность звезды. Построения ученых были довольно просты и полностью основывались на выдающемся достижении человеческого разума — ньютоновской теории всемирного тяготения.
Сегодня черные дыры — уже привычные объекты астрономических исследований, однако, строго говоря, астрофизики все же наблюдают косвенные признаки их присутствия, так что ряд физиков-скептиков все же настаивают на корректности формулировки «кандидаты в черные дыры».
Тем не менее астрономы продолжают обращаться с подобными уникальными космическими феноменами как с вполне реальными небесными телами и уже могут предложить вашему вниманию целую галерею гравитационных коллапсаров — от карликовых экземпляров солнечной массы до сверхмассивных объектов в сотни и даже тысячи солнечных масс, родившихся при коллапсе целых звездных скоплений в ядрах галактик.
И кроме того теоретики предсказывают возможность существования микроколлапсаров — микроскопических черных дыр, которые экспериментаторы мечтают обнаружить с помощью ускорителей элементарных частиц. Существует даже совершенно фантастический проект их массовой генерации «для промышленного применения» при рассеянии сверхэнергичных встречных пучков ядер атомов на будущих ускорителях — коллайдерах.
Баланс гравитационного сжатия звезды — голубого гиганта
Впрочем, даже само значение факта существования гравитационных коллапсаров для науки трудно переоценить, ведь они подтверждают современную теорию гравитации, выходя далеко за рамки астрофизики. Таким образом, изучая эти таинственнейшие небесные тела, мы можем многое понять о фундаментальных свойствах пространства-времени.
Термин «черная дыра» возник в конце 1960-х годов в одной из научно-популярных передач Би-би-си, в которой выступал американский физик Джон Арчибальд Уиллер, и быстро прижился, вытеснив такие выражения, как «застывшие звезды», «темные звезды», «замерзшие звезды» и «коллапсары».
История открытия черных дыр в науке развивалась в несколько этапов. В 1783 году профессор математики Кембриджского университета Джон Мичелл сумел, объединив механику Ньютона и корпускулярную оптику, показать, что корпускулы света, подобно обычному веществу, полностью подчиняются законам небесной механики всемирного тяготения. Из этой гипотезы возникла парадоксальная модель небесного тела — ловушки для света.
Мичелл полагал, что частица света наподобие пушечного ядра, выпущенного с поверхности небесного тела, сможет преодолеть его притяжение, если начальная скорость превысит вторую космическую (скорость убегания). Используя механику Ньютона, Мичелл показал, что если бы звезда солнечной массы имела трехкилометровый радиус, то частицы света просто не смогли бы улететь с ее поверхности.
Это же произойдет и с отраженным светом, так что для удаленного наблюдателя планета или звезда окажутся практически невидимыми. Мичеллу даже удалось вычислить критическое значение радиуса такого небесного тела по отношению к массе Солнца. При этом он рассчитал наименьшую силу притяжения, удерживающую частицы света на поверхности темной звезды, и установил, что небесное тело в 500 солнечных масс вообще не позволит лучу света покинуть его.
Издалека такая звезда выглядела бы как темное пятно, не отличимое от черноты космоса. Свои выкладки Мичелл представил Лондонскому королевскому обществу (Академии наук Великобритании) 27 ноября 1783 года. Доклад ученого заслужил несколько отзывов его коллег, но особого внимания в научных кругах не привлек. Позже к аналогичным выводам пришел и знаменитый французский астроном и математик Пьер-Симон Лаплас.
Так из работ Мичелла и Лапласа родилась модель классической ньютоновской темной звезды. Однако по расчетам выходило, что ее масса в десятки миллионов раз больше солнечной, а физики перешли от частиц к волновой природе света, тем более что о взаимодействии волн излучения и гравитации тогда еще не было известно. Таким образом темные звезды Мичелла — Лапласа были забыты на долгие годы. Более того, Лаплас настолько проникся концепцией «светоносной волновой субстанции», что даже удалил в последующих переизданиях своих работ все упоминания о взаимодействии сил тяготения и света.
Однако к проблеме ньютоновских темных звезд пришлось вернуться, когда великий Эйнштейн представил научному сообществу свою знаменитую теорию гравитации, входящую в общую теорию относительности. Там содержалось поистине революционное объяснение природы тяготения, и это сразу же привлекло внимание коллеги Эйнштейна по Берлинской академии наук математика и физика Карла Шварцшильда.
Очень упрощенно теория Эйнштейна уподобляет свободное от гравитации пространство ровной эластичной пленке. В этой плоской модели небесные тела прогибают пленку подобно тяжелым бильярдным шарам. Любой более легкий шарик, находясь рядом, скатится в углубление массивного шара. Но если мы придадим второму шару определенную скорость по касательной к лунке тяжелого шара, то центробежная сила уравновесит силу скатывания — и маленький шарик начнет кружиться вокруг большого, точно так же как планеты вращаются вокруг звезд.
Что такое кривизна пространства? Представьте себе, что вы находитесь на пересечении экватоpa с нулевым меридианом, стоя лицом на восток. Затем вы начинаете движение вдоль экватора до долготы 180°.
Релятивистский коллапсар в ранней Вселенной (художественная реконструкция)
Здесь, резко изменив направление движения, вы двигаетесь по меридиану на север. В итоге, побывав на Северном полюсе, вы вернетесь в исходную точку, но окажетесь уже лицом к западу. Таким образом, если бы вы несли в руках стрелу, параллельную вашему перемещению, изображающую вектор, то она «прокрутилась» бы вместе с вами относительно исходного направления.
Вот данное «прокручивание» и характеризует кривизну пространства.
Проанализировав некоторые решения уравнений теории относительности, Шварцшильд пришел к поразительному выводу, что с математической точки зрения экзотические темные звезды не только имеют право на существование, но и связаны с фантастическим процессом гравитационного коллапса. Так, исследуя движение частицы вблизи очень массивного тела, Шварцшильд увидел, что уравнения теряют свой физический смысл, поскольку их решения обращаются в бесконечность. Особые точки, в которых это происходило, получили название сингулярных (с латыни «сингл» — «точка»).
Сингулярные точки составляют сферическую поверхность, с которой и за которой свет уже не может вырваться в открытое пространство, поскольку его скорость равна скорости убегания. Тут же родился и термин «застывшие, или замерзшие, звезды», сменивший «темные ньютоновские звезды». Вот только сам процесс гравитационного коллапса оставался совершенно неясным.
Из построений Шварцшильда следовало, что поле тяготения небесного тела можно считать ньютоновским только лишь в том случае, если его радиус намного превышает ту самую величину, которую в свое время вычислил Мичелл! Этот параметр так и называют — радиус Шварцшильда, или гравитационный радиус.
Искривление пространства застывшей звездой
Современная теория гравитационных коллапсаров очень мало напоминает расчеты для темных звезд Мичелла — Лапласа, поскольку в ее основе лежат понятия о кривизне пространства, следующей из эйнштейновской общей теории относительности. Как мы уже отмечали, согласно теории гравитации Эйнштейна, черная дыра представляет собой тело, настолько сильно искривляющее пространство-время, что любой сигнал, включая световой луч, не может вырваться с его поверхности, «соскальзывая» по стенкам гравитационной воронки, уходящей в бесконечность.
В те далекие уже времена структура черных дыр казалась настолько загадочной, что сам Эйнштейн не полностью верил в их существование. И хотя коллапсары были во многом результатом решений уравнений теории относительности, великий физик не раз заявлял, что существование такого природного явления весьма сомнительно, и, будучи уверенным в своей правоте, до конца жизни к исследованию проблем гравитационного коллапса больше не обращался.
Между тем коллеги неоднократно пытались убедить Эйнштейна в правоте выводов из его теории, доказывая, что если масса коллапсирующей звезды превысит три солнечные, то уже никакие силы не смогут остановить ее катастрофического падения «внутрь самой себя».
На вопрос, что же в этом случае произойдет с тяжелой звездой, в свое время попытался ответить один из отцов американского атомного проекта Роберт Оппенгеймер, который в конце 1930-х годов установил, что после преодоления предела устойчивости массивная коллапсирующая звезда начинает стремительно стягиваться к своему гравитационному радиусу. Много позже Оппенгеймер сумел теоретически доказать, что ядро массивной звезды должно непрерывно коллапсировать в точечный объект, свойства пространства которого описываются формулами Шварцшильда.
Пространство замерзшего светила
Проще говоря, массивная звезда в конце своего эволюционного пути начинает стремительно сжиматься, превращаясь в гравитационный коллапсар.
Окончательная модель черной дыры была разработана во второй половине прошлого века, когда выяснилось, что в результате гравитационного коллапса должна возникать сингулярность гравитационного поля, замкнутая в бесконечность. В принципе, не существует сил в природе, которые могли бы противостоять этому стремительному коллапсионному падению звезды «внутрь самой себя». Иными словами, поверхность черной дыры служит своеобразной границей пространства-времени, которое еще может видеть сторонний наблюдатель. До самого начала 1970-х годов ничего существенно нового к этому добавлено не было и черные дыры казались самыми загадочными космическими феноменами, содержимое которых непостижимо.
Согласно квантовой физике, вакуум — это не привычная пустота после откачивания воздуха или на космических просторах, а некое мельтешение виртуальных (то есть кажущихся и напрямую принципиально не наблюдаемых) частиц. В квантовом вакууме непрерывно блещут виртуальные искры флуктуации энергии, генерирующие вполне реальные пары частица — античастица, что физики постоянно наблюдают в лабораторных условиях.
Вот подобные квантовые флуктуации и регулируют излучение черных дыр. Ведь если виртуальная пара частиц возникнет на границе гравитационной сферы, то одна частица может уйти под гравитационный горизонт, а вторая — в окружающее пространство.
Гравитационный провал космоса
При этом стороннему наблюдателю покажется, что данную частицу испустила именно черная дыра.
Любопытно, что Оппенгеймер точно так же, как и Эйнштейн, на определенном этапе своих исследований полностью разуверился в существовании черных дыр и не стал продолжать многообещающую работу в этом направлении.
Новый этап в теории гравитационных коллапсаров наступил в середине 1970-х годов, когда знаменитый британский физик-теоретик Стивен Хокинг доказал, что гравитационным коллапсарам не чуждо и понятие температуры, поэтому они могут излучать в процессах очень медленного квантового испарения. Правда, согласно его теории, излучение можно зафиксировать лишь для относительно небольших коллапсаров, что тут же поднимает вопрос о реальности найти их в безбрежных космических просторах. По расчетам Хокинга, из-за разделения и поглощения частиц с отрицательной энергией на гравитационной границе черная дыра будет постепенно терять энергию и массу.
Кандидаты в черные дыры из далеких галактик
Испаряясь, коллапсар должен излучать энергию, как и любое тело с очень низкой, но не нулевой (по шкале Кельвина) температурой: например, расчетная температура коллапсара с шестикратной солнечной массой равна приблизительно одной стомиллионной доле градуса Кельвина.
Как сегодня астрономы все же ухитряются наблюдать гравитационные провалы коллапсаров? Помочь обнаружить неуловимые черные дыры может запыленность космоса. Межзвездная среда часто заполнена атомами водорода, который, попадая в гравитационную ловушку черной дыры, должен потоком низвергаться в сердцевину провала пространства. При этом молекулы водорода, естественно, будут сталкиваться друг с другом, нагреваясь и излучая электромагнитные волны. Некоторые оценки для подобных водородных каскадов предсказывают температуру в несколько миллионов градусов, что предполагает интенсивное излучение рентгеновских и гамма-лучей.
Квантовая пена коллапсаров
Застывшие звезды в ядрах взаимодействующих галактик
В конечном итоге удаленный наблюдатель обнаружил бы поток всевозможных частиц, излучаемых коллапсаром, который постоянно расходует массу и энергию на рождение пар частица — античастица, пока полностью не испарится в потоке излучения.
Тем не менее расчеты показывают, что испарения черных дыр — очень медленный процесс и коллапсар солнечной массы должен по возрасту быть ровесником Метагалактики.
Получается, что хотя ничто и не может вырваться из-под гравитационного радиуса внутренней части застывшей звезды, изолированной от остальной Вселенной, существуют эффекты внешнего излучения на границе коллапсара. Вещество и излучение, падающие в черную дыру свободно проникают внутрь, но при этом гравитационный коллапсар не только все поглощает, но и выпускает частицы и электромагнитное излучение со своей внешней оболочки.
Уже на примере Земли и Солнца можно понять, что черные дыры настолько экзотичные объекты, что до недавнего времени далеко не все ученые даже верили в их существование.
Кандидаты в застывшие звезды давлением излучения и силами гравитации нарушается в пользу последней.
Сжатие тела массивной звезды происходит в быстро возрастающем темпе, поскольку силы гравитации обратно пропорциональны квадрату расстояния. С течением времени процесс становится необратимым и переходит в гравитационный коллапс. Скорость падения внешних слоев коллапсара приближается к скорости света, и определяющую роль начинают играть эффекты теории относительности. Сверхмощное поле тяготения застывающей звезды порождает эффект так называемого гравитационного красного смещения. В этом случае частота излучения, исходящего от очень массивного объекта, резко смещается в низкочастотную часть спектра. В пределе, на границе гравитационной сферы Шварцшильда, излучение замирает с нулевой частотой. Для внешнего наблюдателя, находящегося вдали от коллапсара, все внутренние события исчезают за абсолютно черной оболочкой черной дыры.
Астрофизики серьезно ищут экзотические объекты гравитационных коллапсаров с середины 1960-х годов. Вначале черные дыры высматривали среди тяжелых и мощных источников излучения.
В заповеднике гравитационных коллапсаров.
Особенно много надежд связывали с компактными источниками, равными по размерам нашей Солнечной системе, но излучающими в тысячи раз больше энергии, чем все звезды нашей Галактики — Млечного Пути. Тут же были высказаны предположения, что подобные космические вулканы являются застывшими звездами, еще не полностью закрытыми «коконами» искривленного пространства.
Для внешнего наблюдателя возникает очень странная картина, в которой оболочка коллапсирующей звезды, объективно стремительно удаляющаяся с нарастающим ускорением, вместо того чтобы приблизиться к скорости света, начинает субъективно замедляться и в конце концов останавливается. Итак, с точки зрения изначального наблюдателя сжатие коллапсара полностью прекратится вблизи гравитационного радиуса. Сколько бы ни вглядывался в бортовой телескоп космонавт, он так никогда и не увидит, чтобы хоть одна частица пересекла снаружи горизонт событий.
Однако если отважный исследователь решит устремиться прямо на застывшую звезду, то его полет закончится в считаные мгновения по корабельному времени. Разумеется, гораздо лучше было бы отправить на разведку робота, ведь любое протяженное тело по мере приближения к горизонту черной дыры начинают подстерегать нешуточные неприятности, связанные с необычной геометрией пространства-времени.
Если к дыре послать автоматический зонд, сигнализирующий о своем положении лазерным лучом зеленого цвета, то по мере удаления луч начнет изменять тон, все больше и больше краснея. Затем автомат-разведчик неминуемо попадет в сильно искривленное пространство и вскоре будет вынужден прекратить передачу информации, поскольку вблизи гравитационной поверхности силы тяготения устремятся в бесконечность и растянут ракету с роботом в бесконечно тонкую и длинную нить.
Между тем приливные силы вблизи горизонта событий черной дыры, согласно общей теории относительности, будут обратно пропорциональны квадрату массы коллапсара, поэтому чем массивнее застывшая звезда, тем меньше величина приливных сил на ее гравитационном горизонте и тем дальше гравитационный горизонт от центра коллапсара. Но сам кибернетический разведчик вряд ли сможет рассказать об особенностях полета вблизи горизонта событий — эргосферы коллапсара, поскольку в реальности любое материальное тело будет разорвано приливными силами еще на далеком подходе к гравитационной границе черной дыры.
В научно-фантастических романах тема черных дыр очень популярна и иногда, как в произведениях австралийского писателя Грега Игана, может служить иллюстрацией к научно-популярным текстам. Кроме всего прочего, фантасты успешно строят с помощью черных дыр — порталов мосты и туннели в иные измерения. Например, в нашем случае, если бы робот-разведчик каким-то чудесным образом избежал разрушения при подлете и пересечении эргосферы, а также проскочил горнило коллапсара, то он мог бы оказаться в чужой вселенной. Возможно, не менее чудесным образом земной аппарат из далекого будущего был встречен иномирянами, которые в полной мере смогли бы оценить бесценный подарок, расшифровав корабельные записи.
Возникновение вращающегося коллапсара
Так они бы узнали, как на зонде встали все хронометры вне зависимости от конструкции — и механические, и электронные, и даже атомные. Затем погасли все приборы и видимый свет перешел в инфракрасную часть спектра, растеряв всю свою энергию в борьбе со все усиливающейся гравитацией. Все предметы внутри корабля-зонда приобрели искаженные очертания.
Поместив земной исследовательский автомат в свой паноптикум космических артефактов, жители иного мира решат направить аналогичное устройство в глубины черной дыры, чтобы и земляне поняли, как распадается, переходя в сингулярное состояние, материя пробного тела, становясь частью иной вселенной.
Среди застывших звезд, судя по всему, могут попадаться и просто колоссальные сверхгиганты. В теории черных дыр нет четких ограничений на размеры коллапсирующих тел. Тут возможны любопытные парадоксы. К примеру, если черная дыра возникает в результате коллапса тела, составляющего 100 млн солнечных масс (это в принципе не выглядит столь уж невероятным для галактических ядер, где могут слиться сотни тысяч, а то и миллионы звезд), его радиус составит 300 млн км, вдвое превысив радиус земной орбиты.
Слияние застывших звезд
Возникновение излучения у вращающегося коллапсара
В то же время средняя плотность вещества такого странного образования будет близка к плотности планет газовых гигантов, мало отличаясь от плотности воды.
Сегодня взоры всех астрофизиков, интересующихся микроколлапсарами, направлены не в глубины Метагалактики, а на дисплеи сверхмощного ускорителя элементарных частиц ЦЕРНа — Большого адронного коллайдера (БАК). На этой уникальной установке моделируются условия, которые были в ранней Вселенной. Опыты на ВАКе интенсивно продолжаются, причем некоторые не слишком компетентные ученые даже высказывают определенную тревогу: а не возникнет ли в ходе рассеяния на встречных пучках элементарных частиц ужасная черная мини-дыра, которая разовьется, втягивая окружающее вещество в гигантского монстра, и в конечном итоге поглотит нашу планету?
Эти беспочвенные опасения вызвали такой сильный общественный резонанс, что пришлось создавать авторитетную комиссию для всесторонней проверки безопасности работы БАКа. Вполне естественно, что комиссия, состоявшая из известных профессионалов, дала взвешенное и объективное заключение. В нем подчеркивалось, что частицы, многократно превышающие энергетический предел БАКа, мириадами ежесекундно пронизывают атмосферу Земли, не вызывая никаких видимых последствий. Если же в ходе экспериментов и возникнут микроколлапсары, по всем расчетам они тут же исчезнут из-за нестабильности своего энергетического состояния.
Есть уже и определенные успешные результаты, полученные в многочисленных экспериментах интернациональным коллективом исследователей. Так, уже удалось получить кваркглюонную плазму — материю, существовавшую еще до рождения элементарных частиц и, возможно, каким-то образом участвующую в образовании микроколлапсаров.
Трудно в деталях описать, как именно ведет себя звезда в поле тяготения массивной черной дыры, но можно предположить, что вначале она разрывается на части приливными силами, а затем поглощается коллапсаром в виде ярко светящегося потока сильно ионизированного газа. После такого акта звездного каннибализма от голубого гиганта останется лишь разреженное облако, вращающееся вокруг черной дыры.
И все-таки хотя само существование гравитационных коллапсаров уже давно не вызывает сомнения у подавляющего числа астрономов и физиков, категорично утверждать, что в данной точке небесной сферы расположилась именно невидимая замерзшая звезда коллапсара, было бы несколько опрометчиво.
Ведь мало еще оценить по косвенным признакам массу небесного тела, которое правильнее было бы считать неопознанным космическим объектом, нужно еще обязательно измерить его радиус, для чего необходимы прямые наблюдения. Это пока еще не решенная задача даже для нашего ближайшего галактического окружения. Поэтому астрофизики все же предпочитают говорить именно о кандидатах в гравитационные коллапсары, хотя газеты и журналы часто сообщают об очередном открытии черной дыры как о точно установленном научном факте.
Все приведенные рассуждения справедливы и для миниатюрных коллапсаров с массой, составляющей несколько миллиардов тонн, которые нагреваются до температур в десятки тысяч градусов. Следует сразу отметить, что противоречий с основными свойствами замерзших коллапсаров здесь нет, ведь это излучение испускается слоем вещества, притянутого к гравитационной сфере, а не содержащегося в самой черной дыре.
Итак, черная дыра в теории рано или поздно должна исчезнуть испарившись. По мере того как будет происходить «усыхание», темп испарения увеличится, но все равно данный процесс займет чрезвычайно много времени. Подсчитано, что реликтовые коллапсары, возникшие 10-13 миллиардолетий назад, должны уже испариться практически полностью. Тут могут быть и весьма любопытные соображения, касающиеся таинственных источников сверхвысокоэнергетических частиц, иногда попадающихся в космических ливнях. Дело в том, что в конце жизни реликтовые мини-дыры имеют колоссальную температуру, поэтому продуктами их испарения могут быть частицы очень высокой энергии. Рассеиваясь на атомах атмосферы, они и будут порождать космические ливни из высокоэнергетических частиц.
Рождение черной дыры при слиянии тесной звездной пары
Существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн, конкурирующей сейчас среди физических теорий строения материи.
Как и всякое очень массивное тело, застывшая звезда отклоняет световые лучи, проходящие вблизи нее. Причем обладая значительно концентрированным гравитационным полем, черная дыра отклоняет поток света чрезвычайно сильно. Поэтому если на луче зрения оказался бы звездный коллапсар, то открывающаяся перед нами картина сильно бы исказилась.
Нынешний успех астрономии в поиске новых кандидатов в гравитационные коллапсары показывает, что черные дыры могут быть не только экзотическими объектами Метагалактики, но и открывать перед нами многие причудливые особенности природы небесных тел.
Первые доказательства правоты теории Эйнштейна были получены еще в 1920-е годы. Тогда астрономы обнаружили, что при полном солнечном затмении видны звезды, которые должны быть на самом деле заслонены краем лунного диска, своей чернотой полностью покрывающего Солнце. Между тем солнечная гравитация настолько сильно искривляла лучи этих звезд, что их изображения сместились и выплыли из-за солнечного диска. Этот эффект назвали гравитационным линзированием, и сегодня астрономы прекрасно знают, что под влиянием гравитационных линз массивных звезд и черных дыр реальное положение многих небесных тел существенно отличается от видимой на небосводе картины.
Гравитационная линза «Крест Эйнштейна»
Для массивных коллапсаров, многократно превышающих Солнце по массе, должны наблюдаться удивительные визуальные эффекты, при которых вокруг контура черной дыры лучи проходящего вблизи света составят яркое кольцо. Это гравитационное линзирование связано с тем, что свет отклоняется в сверхмощном гравитационном поле наподобие того, как это происходит с ним в стеклянной линзе. В результате астрономы могли бы увидеть сразу несколько изображений каждой звезды или дальней галактики.
Излучение для черной дыры звездной массы, приводящее к ее очень медленному испарению, невелико, поэтому единственным реальным источником свечения коллапсара следует считать падение на его поверхность межзвездной среды. В блестящем научно-фантастическом рассказе «Проверенным дедовским способом» Артур Кларк описывает, как попавшие в беду космонавты сигнализируют азбукой Морзе, бросая в черную дыру обломки астероида и вызывая вспышки гамма-излучения. Однако далеко не каждый камень, провалившийся в черную дыру, проявит себя для земных детекторов, ведь пока еще мы можем зарегистрировать лишь космические катаклизмы, дающие вспышки излучения при падении одной черной дыры на другую и их слиянии, какие уж там камни…
Если мы представим себе падение массивного тела на нейтронную звезду, то при столкновении с ее поверхностью возникнет вспышка излучения, а у застывшей звезды реальная поверхность отсутствует, поэтому для подачи сигнала космонавтам пришлось бы не просто бросать камни, а сталкивать их друг с другом на подлете. Именно поэтому пыль и газ, поглощаемые черной дырой коллапсара, дают весьма незначительный выход энергии. Для высвечивания замерзшей звезды необходимо, чтобы вокруг нее возник вращающийся пылегазовый диск. Только тогда частички межзвездной среды, двигаясь по сходящимся к гравитационной поверхности коллапсара спиралям в плоскости диска, будут эффективно сталкиваться и разогреваться. Именно подобные «горячие» диски и являются признаком наличия кандидатов в черные дыры.
Линзирование изображения далеких галактик
Ну а что же произойдет, когда масса коллапсара уменьшится до критического размера? Достоверно ничего не известно, поскольку мы не имеем представления, что в действительности происходит за эргосферой черной дыры. Можно, к примеру, предположить, что коллапсар исчезнет в колоссальной вспышке излучения. Вполне возможно, что подобную природу имел и Большой взрыв, создавший нашу физическую реальность.
Но если наша Вселенная будет продолжать свое ускоренное расширение, эффективная температура упадет ниже температуры черных дыр. Трудно сказать, как будут тогда выглядеть вселенские просторы, на которых станут, испаряясь, выделять энергию далекие коллапсары. Некоторые космологи строят на этом смелые гипотезы о грандиозных циклических процессах, протекающих во Вселенной с участием черных провалов пространства-времени.
Если в настоящее время критическая плотность вещества, необходимая для образования коллапсара, возможна лишь при определенных условиях в ядрах массивных звезд, то при рождении нашего мира около 13 млрд лет назад высокая плотность материи была повсеместно.
Призрачная оболочка замерзшей звезды
Поэтому даже небольшие флуктуации плотности могли привести к рождению черных дыр разной массы. Самые незначительные из них в силу определенных квантовых эффектов должны были быстро испариться, теряя свою массу в виде излучения потоков частиц. Первичные коллапсары, в принципе, могли бы сохраниться и до нашего времени, причем самые микроскопические из них могут иметь размер порядка протона или нейтрона.
В тесных двойных системах с участием застывшей звезды вокруг нее сравнительно легко и быстро возникает газопылевой диск, определяемый орбитальным вращением двух звезд и перетеканием вещества с обычной звезды на замерзшую. В случае одиночной черной дыры ситуация сильно усложняется, и для возникновения плотной газопылевой оболочки из турбулентной и неоднородной межзвездной среды могут потребоваться десятки, если не сотни миллионолетий. Если диск возник, то каждая падающая масса может выделить колоссальную энергию. Но все же одиночные коллапсары вряд ли будут заметными источниками излучения — слишком мало вещества рассеяно в космосе, наверное, поэтому они еще и не открыты.
Ядро нашей Галактики в инфракрасном, видимом и рентгеновском диапазонах
Гравитационные волны от черной дыры
Астрофизикам известно уже несколько десятков двойных систем, где на роль невидимого компаньона претендуют коллапсары массой более трех солнечных с некоторыми характерными проявлениями активности вещества вокруг загадочного компактного объекта. К примеру, наблюдаются довольно быстрые колебания яркости в потоках раскаленного газа, стремительно закручивающегося в гигантские вихри вокруг невидимого тела.
В этом отношении астрономы находят перспективной рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя с неизвестным компонентом в шесть солнечных масс. Есть и еще кандидаты в черные дыры, располагающиеся в двойных системах Лебедь Х-1, LMC Х-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых звездах Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994.
Еще одно направление поиска коллапсаров — исследование ядер галактик. Астрономы давно уже заметили, что в них скапливаются, уплотняясь, гигантские массы вещества, взаимодействуют, сливаясь сотни и тысячи светил, что теоретически должно приводить к возникновению сверхмассивных черных дыр, во много раз превосходящих по массе Солнце.
Полет кандидата в коллапсары
Эти циклопические коллапсары должны притягивать окружающие тела, ярко светя в центрах галактик. Они могут разрушать все близко обращающиеся звезды, создавая вокруг себя колоссальные аккреционные диски. Если коллапсар стремительно вращается, то из его полярных областей будут вырываться джеты в виде очень быстрых струйных потоков частиц и жесткого электромагнитного излучения. Подобные процессы действительно наблюдаются в ядрах некоторых галактик, указывая на вероятность присутствия кандидатов в сверхгигантские коллапсары с массами чуть ли не в миллиард масс Солнца.
Эволюция группы коллапсаров в черную дыру
Это интересно
Космический телескоп «Хаббл» помог астрономам обнаружить уникального кандидата в черные дыры, который стремительно несется по просторам галактики М87. Обычно застывшие звезды ведут себя несколько иначе, достаточно спокойно располагаясь в звездных парах, скапливающихся вблизи галактических ядер. В данном же случае кандидат в коллапсары летит с фантастической скоростью, превышающей 400 тыс. км/ч, обгоняя более чем в четыре раза другие звезды, вращающиеся вместе с М87.
Скорее всего, стремительным коллапсаром выстрелила вспышка сверхновой из тесной звездной пары, когда значительная часть оболочки взрывающейся звезды мгновенно сбрасывается. Обычно массивные светила появляются в звездных скоплениях, и для поиска их места рождения нужно аккуратно пустить время вспять, продолжив траекторию назад в прошлое, пока она не пересечет подходящее место для «звездных яслей».
Интересно решить и обратную задачу: зная начальную скорость коллапсара, продолжить траекторию его полета в будущее, указав его местоположение в настоящий момент. Это было бы весьма любопытно с любой точки зрения, ведь свет от далеких застывших звезд (вернее, от их окружения) часто идет сотни тысячелетий.
