Викладено новітні дані з визначення мас чорних дір у рентгенівських подвійних зоряних системах. До теперішнього часу відомо 10 рентгенівських подвійних систем, що містять масивні (з масою більше трехсолнечних) рентгенівські джерела - кандидати в чорні дірки. Чудово, що в жодного з них не спостерігається феноменів рентгенівського пульсара або рентгенівського барстери I типу.
Як відомо, чорною дірою називається область простору-часу, в якій гравітаційне поле настільки сильно, що навіть світло не може покинути цю область. Це відбувається, якщо розміри тіла менше його гравітаційного радіуса де G - постійна тяжіння, c - швидкість світла, М - маса тіла. Гравітаційний радіус Сонця 3 км, Землі - близько 9 мм.
Загальна теорія відносності А. Ейнштейна пророкує дивовижні властивості чорних дір, з яких найважливіше - наявність у чорної діри горизонту подій. Для невращающейся чорної діри радіус горизонту подій збігається з гравітаційним радіусом. На горизонті подій для зовнішнього спостерігача хід часу зупиняється. Космічний корабель, посланий до чорної діри, з точки зору далекого спостерігача, ніколи не перетне горизонт подій, а буде безперервно сповільнюватися в міру наближення до нього. Все, що відбувається під горизонтом подій, усередині чорної дірки, зовнішній спостерігач не бачить. Космонавт в своєму кораблі в принципі здатний проникнути під горизонт подій, але передати будь-яку інформацію зовнішньому спостерігачеві він не зможе. При цьому космонавт, вільно падає під горизонтом подій, ймовірно, побачить іншу Всесвіт, і навіть своє майбутнє. Пов'язано це з тим, що всередині чорної діри просторова й тимчасова координати міняються місцями і подорож у просторі тут замінюється подорожжю в часі.
Ще більш незвичайні властивості обертових чорних дір. У них горизонт подій має менший радіус, і занурений він всередину ергосфери - області простору-часу, в якій тіла повинні безперервно рухатися, підхоплені вихровим гравітаційне поле що обертається чорної дірки.
Такі незвичайні властивості чорних дірок багатьом здаються просто фантастичними, тому існування чорних дір у природі часто ставиться під сумнів. Однак, забігаючи наперед, відзначимо, що, згідно з новітнім спостережною даними, чорні діри дійсно існують і їм притаманні дивовижні властивості.
Як утворюється Чорні дірки
Відомо, що якщо маса ядра зірки, зазнали змін хімічного складу через термоядерних реакцій і складається в основному з елементів групи заліза, перевищує 1,4 сонячної маси M, але не перевершує трьох сонячних мас, то в кінці ядерної еволюції зірки відбувається колапс ( швидке стиснення) ядра, в результаті якого зовнішня оболонка зірки, не порушена термоядерними перетвореннями, скидається, що призводить до явища спалаху наднової зірки. Це призводить до формування нейтронної зірки, в якій силам гравітаційного тяжіння протидіє градієнт тиску виродженого нейтронного речовини. Величезні сили тиску виродженого нейтронного речовини обумовлені тим, що нейтрони володіють напівцілим спіном і підкоряються принципу Паулі, згідно з яким у даному енергетичному стані може перебувати тільки один нейтрон.
При стисненні ядра зірки на пізній стадії еволюції температура піднімається до гігантських значень - близько мільярда кельвінів, тому ядра атомів розвалюються на протони і нейтрони. Протони поглинають електрони, перетворюються на нейтрони і випускають нейтрино. Нейтрони ж, згідно з квантовомеханічної принципом Паулі, що забороняє їм перебувати в однакових станах, починають при сильному стисненні ефективно відштовхуватися один від одного. У разі маси коллапсірующая ядра зірки менше 3M швидкості нейтронів значно менше швидкості світла і пружність речовини, обумовлена в основному ефективним відштовхуванням нейтронів, може врівноважити сили гравітації і привести до утворення стійких нейтронних зірок. У разі масивних ядер зірок (m> 3M) швидкості нейтронів великі, сили відштовхування між ними не можуть урівноважити сили гравітації. У цьому випадку утворюється нейтронна зірка, остигаючи колапсує, відповідно до існуючих уявлень, у чорну діру. Оскільки при утворенні нейтронної зірки радіус зірки зменшується від 106 до 10 км, з умови збереження магнітного потоку випливає, що магнітне поле нейтронної зірки радіусом 10 км може досягати дуже великої величини - близько 1012 Гс. Радіус нейтронної зірки близько 10 км, щільність речовини досягає мільярда тонн в кубічному сантиметрі.
Добре відомі радіопульсари і рентгенівські пульсари як раз і є нейтронні зірки, причому число відомих радіопульсаров досягає 700. Радіопульсари спостерігаються як джерела строго періодичних імпульсів радіовипромінювання, що пов'язано з переробкою енергії швидкого обертання зірки в спрямоване радіовипромінювання за посередництвом сильного магнітного поля. Рентгенівські пульсари світять за рахунок аккреции речовини в тісних подвійних зоряних системах: сильне магнітне поле нейтронної зірки направляє плазму на магнітні полюси, де вона стикається з поверхнею нейтронної зірки і розігрівається в ударної хвилі до температур в десятки і сотні мільйонів градусів. Це призводить до випромінювання рентгенівських квантів. Оскільки вісь магнітного диполя не збігається з віссю обертання нейтронної зірки, рентгенівські плями (їх називають аккреційному колонками) при обертанні нейтронної зірки то видно для земного спостерігача, то екрануються тілом нейтронної зірки, що приводить до ефекту маяка і феномену рентгенівського пульсара - суворо періодичної змінності рентгенівського випромінювання за часом від часток секунди до тисяч секунд. Періодичні пульсації радіо-або рентгенівського випромінювання говорять про те, що у нейтронної зірки є сильне магнітне поле (~ 1012 Гс), тверда поверхня та швидке обертання (періоди радіопульсаров досягають мілісекунд часу). У чорної діри строго періодичних пульсацій випромінювання очікувати не доводиться, оскільки, відповідно до прогнозу загальної теорії відносності (ЗТВ) Ейнштейна, що описує сильні гравітаційні поля, чорна діра не має ні твердої поверхні, ні сильного магнітного поля.
Для зірок, маси залізних ядер яких наприкінці еволюції перевищують три сонячні, ОТО передбачає необмежену стиск ядра (релятивістський колапс) з утворенням чорної діри. Це пояснюється тим, що сили гравітації, які прагнуть стиснути зірку, визначаються щільністю енергії, а при величезних щільності речовини, що досягаються при стисненні ядра зірки (близько мільярда тонн в кубічному сантиметрі), головний внесок у щільність енергії вносить вже не енергія спокою частинок, а енергія їх руху і взаємодії. Виходить, що тиск речовини при великих щільностях як би саме "важить": чим більший тиск, тим більше щільність енергії і, отже, сили гравітації, які прагнуть стиснути речовина. Крім того, при сильних гравітаційних полях, згідно з ЗТВ, стають принципово важливими ефекти викривлення простору-часу, що також сприяє необмеженому стисненню ядра зірки.
Чорні дірки з дуже великими масами (до мільярдів сонячних мас), очевидно, існують в ядрах галактик, і в останні роки в наглядовій дослідженні надмасивних чорних дір намітився суттєвий прогрес у зв'язку з використанням космічного телескопа ім. Хаббла і застосування методів радіоінтерферометрії з НадДовгими базами. Крім того, теорія передбачає можливість існування первинних чорних дір, що утворилися в момент утворення Всесвіту. Ми обмежимося розглядом лише чорних дірок зоряної маси, що утворилися на кінцевих етапах еволюції масивних (з масами в десятки сонячних) зірок.
МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ маси чорних дір
Відомо, що масу зірки можна виміряти, якщо вона входить у подвійну систему. Спостерігаючи рух зірок - компонент подвійної системи і застосовуючи закони Кеплера, що випливають із закону тяжіння Ньютона, можна виміряти маси зір. При цьому, оскільки розміри орбіти подвійної системи в мільйони разів більше гравітаційних радіусів компонент, для визначення мас зірок, в тому числі і мас нейтронних зірок і чорних дір в подвійних системах, цілком достатньо використання закону тяжіння Ньютона. Ми не розглядаємо тут випадок подвійних радіопульсаров, де величезна точність визначення моментів приходу радіоімпульсу дозволяє спостерігати релятивістські ефекти (обумовлені ОТО) в русі пульсара, і по них визначати з високою точністю маси пульсарів, і навіть спостерігати вікове вкорочення орбітального періоду подвійної системи, обумовлене випромінюванням потоку гравітаційних хвиль.
Оптична зірка в подвійній системі є не лише пробним тілом у гравітаційне поле чорної діри, що дозволяє виміряти її масу, але також своєрідним донором, що постачають речовина на сусідній релятивістський об'єкт (нейтронну зірку або чорну дірку). Акреція цієї речовини на релятивістський об'єкт призводить до розігрівання плазми до температур в десятки і сотні мільйонів градусів і до появи потужного рентгенівського джерела. Теоретичне передбачення потужного енерговиділення при несферіческой аккреции речовини на чорну дірку було зроблено в 1964 році Я.Б. Зельдовичем і О.Є. Салпітером. Теорія дискової аккреции речовини на релятивістський об'єкт в тісній подвійній зоряній системі розвинена на початку 70-х років в роботах Н.І. Шакур і Р.А. Сюняева, Дж. Прінгл і М. Риса, І.Д. Новикова та К.С. Торна.
НОВІТНІ ДАНІ
Виявлено один з найближчих до Сонячної системи чорних дір, що утворилася в результаті старіння і подальшої загибелі зірки класу блакитний гігант. І вперше досить точно вдалося обчислити її орбіту обертання навколо нашої Галактики - Чумацький Шлях.
Чорна діра була виявлена завдяки тому, що "жерла" речовина сусідки - меншою зірки.
Відкриття було зроблено в результаті спостережень радіотелескопів Національного Наукового товариства (VLBA), об'єднаних в систему радіоінтерферометрії з наддовгих базою разом з супутниками прийому рентгенівського випромінювання Rossi.
Доказом підтвердження відкриття послужили оптичні знімки, зроблені на Паломарской Обсерваторії (POSS). Це вперше, коли орбітальний рух чорної діри було обмірюване.
Результати досліджень були повідомлені 13 вересня 2001 у випуску журналу "Природа".
Об'єкт називається XTE J1118 +480 і був виявлений супутником Rossi X-29 березня 2000 року. Більш пізні спостереження в оптичному і радіодіапазоні показали, що чорна діра відстоїть на 6,000 світлових років від Землі і являє собою бінарну систему, в якій вона засмоктує зоряний газ із сусідньої зірки, формуючи гарячий обертовий диск, що нагадує вирву виру в море. Цей процес супроводжується викидом субатомних частинок, які випромінюють радіохвилі.
Більшість зірок в нашій Галактиці - Чумацький Шлях, знаходяться в межах галактичної площині. Однак, також є кульові зоряні скупчення, які містять сотні тисяч самих старих зірок у Галактиці, і які знаходяться поза площиною Галактики. XTE J1118 +480 подібно таким кульовим скупченням, переміщається зі швидкістю 145 кілометрів на секунду щодо Землі, здійснює хитромудрі петлі навколо Галактики. Ця чорна діра утворилася в результаті смерті масивної зірки, яка за класом була на рівні блакитного гіганта. Такі зірки, коли повністю вироблять свій ресурс, або вибухають як нові зірки, залишаючи після себе ядро оболонки у вигляді нейтронної зірки, або закінчують шлях "гравітаційним бавовною" стиснення, утворюючи чорну дірку.
Ця чорна діра має масу, більше сонячної у 7 разів. Щоб розігнатися до існуючої швидкості, їй потрібен був поштовх прискорення, який могла дати тільки гравітаційна сила загальної маси шарового зоряного скупчення, з якого вона колись і була викинута.
Розташована неподалік від Чумацького Шляху галактика Centeurus A має у своєму центрі масивну чорну діру. Це вдалося встановити міжнародній команді астрономів з Південної Європейської Обсерваторії, що проводили спостереження за допомогою телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чилі. Вимірювання дозволили визначити масу чорної діри - близько 200 мільйонів мас Сонця. Галактика Centaurus A, відома також як NGC 5128, віддалена від Землі на 11 мільйонів світлових років. Це одна з найбільш вивчених об'єктів Всесвіту. Як галактика вона була каталогізовані в 1847 році британський астроном Джоном Гершелем (John Herschel) і вже півтора століття вивчається з використанням усього набору астрономічних інструментів. Про те, що в центрі галактики знаходиться чорна діра, підозрювали давно, але ніхто не думав, що вона настільки масивна.
Дж.Моран (J. Moran; астрофізичного центру в Кембриджі, штат Массачусетс, США) стверджує, що йому вдалося виявити надмасивну чорну діру в центрі вельми віддаленої від нас спіральної галактики NGC 4258, за результатами вивчення потужного мазерного випромінювання, що створюється молекулами води газових хмар , які піддаються впливу інтенсивної радіації.
Зіставляючи швидкість руху космічних хмар з їх розташуванням, Моран встановив, що вони обертаються навколо якогось центрального об'єкта, подібно до планет навколо Сонця. За значеннями швидкостей вдалося обчислити масу притягає центру: вона виявилася близькою до 36 млн М *! Причому вся ця гігантська маса зосереджена в області, поперечник якої менше 1 світлового року. Такими характеристиками може мати лише чорна діра.
Джерела мазерного випромінювання знаходяться на навколишнього галактику NGC 4258 зовнішньої периферії диска (або сфери - з цього приводу серед астрофізиків немає єдиної думки). Однак на настільки значних відстанях, як в даному випадку, найбільш ймовірна, на загальну думку, форма диску. Мазери розташовуються там по S-подібної кривої; такий вигин, вважає Моран, викликаний тиском рентгенівського випромінювання від скупчення сверхраскаленного газу, що знаходиться в центрі даної системи.
Вивчення руху потужних мазерів допоможе, на думку Моргана, пошуку свермассівних чорних дірок. Найближчим кандидатом він вважає галактики NGC 1068, в якій, судячи з спостережуваних швидкостей мазерів, може знаходитися чорна діра з масою, що перевищує сонячну в 10 млн разів.
Що всередині у чорної діри
Чорною дірою називається область простору-часу, обмежена горизонтом, тобто поверхнею, яку навіть світло не може покинути внаслідок дії гравітаційних сил. Точка зору теорії відносності (ЗТВ) на чорні дірки (і їх внутрішню структуру) полягає в наступному. Ми (за визначенням) не можемо отримати ніякої інформації з чорної дірки, тому вона для нас саме ЧОРНА, тобто в рамках цього підходу питання про внутрішню структуру чорної діри не є повністю коректним, тому що ми не можемо зробити відповідні виміри, а можемо лише припускати щось, не отримуючи безпосередній інформацію звідти.
Чорна діра (як ідея) спочатку з'явилася в 18 столітті завдяки роботам Мітчелла і Лапласа як прогноз у ньютонівській теорії. Потім вже - як математичне рішення ОТО. Для найбільш простий оцінки радіуса горизонту чорної діри (як у Мітчелла і Лапласа) достатньо лише покласти другу космічну швидкість рівною швидкості світла. Для випадку обертаються і заряджених чорних дір рішення виходять вже тільки в рамках ЗТВ.
Існують чи ні чорні дірки у Всесвіті, або, все-таки, це лише наша гра розуму і математики - питання поки залишається відкритим. Зараз є більше 10 кандидатів у чорні дірки в тісних подвійних системах і кілька десятків кандидатів у надмасивні чорні дірки в ядрах галактик (у тому числі і нашої). Проте, це лише кандидати, хоч і дуже гарні, і Нобелівська премія за відкриття чорних дір поки нікому не вручена. Але, залишивши питання про фізичне обгрунтуванні, ніхто не забороняє продовжити рішення всередину чорної діри. Виявляється, що рішення гладко триває під горизонт і закінчується в точці, в якій одна з найважливіших характеристик простору - кривизна - стає рівною безкінечності (як кажуть "розходиться"). Така поведінка і називається сингулярність, тобто областю, в якій не працює не лише фізика, а й математика.
В якійсь мірі дослідження сингулярностей можна вважати фізичної і в рамках ОТО, особливо в світлі недавніх резул?? ратів про кінцевій стадії гравітаційного колапсу. Справа в тому, що кілька десятиліть тому була сформульована "гіпотеза космічної цензури", яка стверджує, що у звичайній Всесвіту сингулярність може існувати, лише закритим від нас горизонтом, тобто у вигляді чорної діри. Так ось, нещодавно в ході чисельного аналізу різних сценаріїв гравітаційного колапсу було встановлено, що за певних початкових умов (цілком фізичних, треба відзначити) процес гравітаційного колапсу може закінчиться виникненням "голою" сингулярності. У рамках ОТО аналітичного відповіді на це питання поки немає.
У ЗТВ є один дуже великий недолік - вона не піддається процедурою квантування, на відміну від теорій інших фізичних взаємодій (електромагнітного, слабкого і сильного). Тому створюються так звані теорії супероб'едіненія, в які входить не сама ОТО, а будь-якої (ще до кінця не зрозуміло, який) варіант ефективної теорії гравітації, що включає ОТО. З точки зору ідей квантової механіки, що лежить в основі об'єднання взаємодій, питання про внутрішню структуру цілком правомірне, тому що весь простір має описуватися однією характеристикою - хвильової функцією. В рамках цього нового підходу були відкриті (в математичному плані, звичайно) нові типи сингулярностей, яких немає в ОТО. Можна виділити характеристики сингулярності, наприклад, за швидкістю, з якою кривизна розходиться. У якійсь мірі і горизонт подій чорної діри можна вважати сингулярність, але не щирою, тому що кривизна в цьому разі кінцева (розходиться лише один коефіцієнт), більше того, цю сингулярність можна прибрати після відповідного перетворення координат.
Чорні дірки зливаються
Учені відкрили, що в одній галактиці цілком можуть співіснувати дві надмасивні чорні дірки, які в кінцевому підсумку обов'язково зіллються в одну. Ця подія буде супроводжуватися такими викидами енергії, що зірки будуть витіснені з центру галактики, де буде бушувати радіоактивне і гравітаційне цунамі.
Вчені давно знали, що в галактиці NGC 6240 існує дві яскраві плями, що звуться ядрами. Оскільки центр галактики закритий від огляду пилом, учені направили в той бік телескоп Чандра, в надії визначити, чи будь-яке з цих ядер активної надмасивної чорною дірою. Яке ж було їх здивування, коли вони зрозуміли, що обидва об'єкти є активними чорними дірками.
Ця галактика знаходиться від нас на відстані близько 400 світлових років - досить близько за космічними масштабами і вона утворилася в результаті зіткнення двох галактик, яке почалося 30 мільйонів років тому. Астрономи вважають, що злиття галактик насправді відбувається дуже мирно. Оскільки зірки розташовані дуже рідко, вони майже не "відчувають", що відбувається. Зараз поки центри зіштовхуються галактик лише злегка гравітаційно взаємодіють. Але поступово відстань, рівну зараз 3 тисяч світлових років, буде зменшуватися. І тоді вони неминуче почнуть взаємодіяти. Зірки, що обертаються навколо центрів, прискорять свій рух і вилетять з центру галактики. Коли чорні дірки наблизяться на відстань близько одного світлового року, вони почнуть зливатися. Тоді газ, що обертається навколо чорних дір розігріється до таких температур, що почне випромінювати радіоактивні хвилі. Зрештою поле радіоактивності знищить всі об'єкти, що знаходяться навколо ядер, що дасть можливість оглядати ядро. Жодна зірка не вціліє у полі впливу більш масивної чорної діри після того, як вони зіллються.
Вчені також побудували комп'ютерну версію того, що відбувається зараз в галактиці NGC 362. До цього астрономи ніколи не бачили подвійних чорних дірок. Це наводило їх на думці, що такого явища, як подвійна чорна діра не буває, що чорні діри зливаються в одну. Нещодавно вони отримали доказ цього: джети, що випускаються чорними дірками в об'єкті, відомому під номером NGC 362, змістилися. Це говорить про те, що чорні дірки в зіштовхуються галактиках "відчули" існування один одного.
Список використаної літератури:
1. Новиков І.Д. Чорні дірки і Всесвіт. М.: Мол. гвардія, 1985.
2. Ліпунов В.М. У світі подвійних зірок. М.: Квант, 1986.
3. Черепащук А.М. Масивні тісні подвійні системи. Земля і Всесвіт. 1985. № 1.
С. 16-24.
4. Лютий В.М., Черепащук А.М. Оптичні дослідження рентгенівських подвійних систем// Там же. 1986. № 5. С. 18-25.
5. Черепащук А.М. Чорні дірки: нові дані// Там же. 1992. № 3. С. 23-30.
6. Гінзбург В.Л. Про фізики та астрофізики. М.: Бюро "Квантум", 1995. 106 с.
