Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Золотой свет черных дыр

В безграничной Вселенной есть объекты по-настоящему притягательные

  
Так анонимный художник Европейского космического агентства (ESA) изобразил момент «проглатывания» черной дырой (справа) оказавшейся поблизости звезды (слева). Прежде чем газ упадет на поверхность дыры, он закрутится вокруг нее со скоростью близкой к световой. Именно из этого хоровода вырывается мощный поток рентгеновского излучения. Иллюстрация: ESA

Черные дыры «придумал» английский геолог Джон Мичелл (John Michell, 1724–1793) еще в середине XVIII века. Он посчитал, что для звезды с плотностью Солнца, но с радиусом в 500 раз большим, первая космическая скорость превысит скорость света. Следовательно, если закон всемирного тяготения справедлив и для света, то свет не сможет покинуть пределов звезды. Со стороны она будет казаться совершенно черной. Об этом Мичелл и написал сэру Кавендишу, а тот опубликовал письмо в журнале Лондонского Королевского общества.

Интерес к теме несколько спал, когда стало ясно, что свет — электромагнитное излучение и на него сила тяжести не действует. Убежденный этим аргументом Лаплас не стал включать историю про черные тела во Вселенной, которые тяжелы настолько, что даже свет не может их покинуть, в третье и все последующие издания своей знаменитой книги «Система мира». Новая волна интереса к этим странным объектам возникла уже в связи с построением Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein, 1879–1955) и Дэвидом Гильбертом (David Hilbert, 1862–1943) общей теории относительности. Из нее, в частности, следовало, что гравитационное поле — это просто искривление четырехмерного пространственно-временного континуума. В искривленном пространстве свет не может двигаться вдоль прямой линии, просто потому что там прямой линии не существует. Теоретически пространство может быть искривлено настолько, что свет будет пойман в замкнутую область. Это и будет черной дырой. Но не все предсказанное теорией на самом деле существует.

Доказательство реального существования черных дыр получить совсем не так просто. Их невозможно наблюдать — они же ничего не излучают. Правда, Кип Торн (Kip Thorne), один из крупнейших современных специалистов по астрофизике, еще много лет назад указал на то, что вокруг черной дыры должен возникать радужный ореол концентрических колец: захваченный гравитационным полем свет не обязательно падает на ее поверхность. Если луч света проходит достаточно близко, чтобы испытать на себе действие силы тяжести, но в то же время достаточно далеко, чтобы не быть ею захваченным навечно, он может совершить вблизи черной дыры один или несколько оборотов. Однако, чтобы такое увидеть, надо иметь черную дыру невдалеке и яркую звезду позади нее.

  
Количество энергии, выделившейся в виде гамма-излучения при вспышке 14 июня, примерно эквивалентно массе нашего Солнца, или, попросту говоря, колоссально. В поисках сверхновой вблизи места вспышки участвовали все орбитальные спутники NASA. Такую «картинку» удалось получить, объединив данный различных приборов орбитального телескопа «Hubble». Следов сверхновой на ней нет. Иллюстрация: K. Sharon, A. Gal-Yam на основе снимков HST 
Но такого пока не случилось. И хотя в существовании черных дыр уже почти никто не сомневается, сказать, кто и когда открыл первую из них или доказал, что наблюдаемый объект — действительно черная дыра, невозможно. Доказательство прошло, с позволения сказать, «по очкам». Как объяснял Александр Федорович Захаров на одном из семинаров, многие небесные явления мы можем хорошо объяснить, предполагая существование черных дыр, и не можем найти никакого другого объяснения, считая, что черных дыр не существует. Поэтому мы считаем эти явления — доказательствами существования этих объектов.

Именно эти явления и эти объекты находится в центре внимания астрофизиков на протяжении последних 10 лет. «Наступил золотой век астрофизики черных дыр, — говорил в своем недавнем интервью газете «Washington Post» президент Американского астрономического общества Джон Крэйг Уилер (J. Craig Wheeler). — Как они возникают, как ведут себя, какова их роль в образовании новых галактик — всё это очень актуальные темы». И не трудно понять, почему. Недавние открытия позволяют предположить существование черных дыр с массой в миллиарды раз превосходящей массу Солнца. Видимо, такие сверхмассивные черные дыры остаются в центре каждой галактики, сыграв ключевую роль в ее возникновении. Кроме того, черные дыры возникают на месте выгоревших и коллапсировавших звезд. И этот процесс сопровождается мощным гамма-всплеском и потоком ультрарелятивистских частиц.

Астрофизики считают черные дыры очень странными небесными объектами, внутри которых останавливается время, искривляется пространство. И все же во Вселенной их миллионы, некоторые диаметром всего в несколько километров, некоторые размером с Солнечную систему. И хотя способность удерживать внутри себя всякое излучение относится к главным особенностям черных дыр, астрономы обнаруживают их по чрезвычайно ярким вспышкам, возникающим в окрестности дыры, когда она «проглатывает» неосторожно приблизившуюся к ней звезду или галактические газы. Вспышки гамма-лучей, взрывы с выделением колоссального количества энергии, происходящие во время взрыва звезды и превращения ее в черную дыру, также фиксируются приборами.

Орбитальные спутники NASA и в первую очередь космический телескоп «Hubble», зонд «Swift», оборудованный телескопом для регистрации гамма-всплесков (BAT) и рентгеновским телескопом (XRT), и орбитальная рентгеновская обсерватория «Chandra», сыграли важную роль в этих открытиях, передав ранее недоступную информацию и изображения, позволяющие понять множество странностей в поведении черных дыр.

Зонд «Swift», запущенный в 2004 году, стал источником информации, легшей в основу самого последнего открытия, — выявления нового способа идентификации черных дыр.

Как правило, черные дыры образуются или растут, когда разрушается ядро гигантской звезды или когда существующая черная дыра сталкивается с крошечной, но также невероятно плотной нейтронной звездой. Оборудование обсерватории «Swift» позволило наблюдать высокоэнергетические гамма-вспышки, сопровождающие образование черной дыры. Некоторые астрономы сравнивают их с первым криком ребенка. О том, как и почему возникла черная дыра, можно судить по длительности вспышек. Образование новой черной дыры сопровождается вспышкой дольше двух секунд. Большинство вспышек приходит от границ видимой части Вселенной. Короткие всплески могу длиться от нескольких миллисекунд до двух секунд. Они свидетельствуют о столкновении черной дыры с нейтронной звездой, в результате чего масса черной дыры увеличивается, или просто о столкновении двух нейтронных звезд.

  
Гамма-всплеск был зафиксирован бортовыми инструментами станции «Swift». Но установить точное место вспышки удалось благодаря длительному «послесвечению», наблюдавшемуся в этом месте еще более недели. Иллюстрация: NASA/Swift Team
Такое, считавшееся раньше довольно надежно установленным, разделение гамма-всплесков на короткие и длинные теперь оказалось как минимум поставленным под сомнение. Вспышка, зафиксированная 14 июня прошлого года обсерваторией «Swift» в галактике, находящейся на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли, была довольно долгой — 102 секунды — но при этом отсутствовали какие-либо признаки коллапса крупной звезды. Астрономы уже окрестили это явление гибридной гамма-вспышкой.

В пресс-релизе NASA, выпущенном по этому случаю, приведены слова Нила Герелса (Neil Gehrels), ведущего исследователя программы «Swift» в Центре управления полетами NASA имени Годдарда в Гринбелте: «Мы оказались на совершенно неисследованной территории: у нас нет теорий, которыми мы могли бы руководствоваться. Но все указывает на то, что новый тип космических всплесков вовсе не так редок».

Несмотря на то, что в данном случае ни «Swift», ни «Hubble» не заметили никаких явлений, характерных для таких длинных вспышек, — не было ни признаков сверхновой звезды, ни сопутствующей световой вспышки, из-за чего до сих пор невозможно с уверенностью сказать, что же именно взорвалось, — речь, вероятно, все-таки идет о рождении новой черной дыры. Если регистрация гибридных вспышек может служить методом идентификации черных дыр, то количество последних, по словам Герелса, должно исчисляться сотнями миллионов.

Безусловные успехи звездной астрономии и многочисленные открытия, совершенные в последнее время, дают астрофизикам надежду на новые успехи и средство для оказания давления на правительства, от которых зависит финансирование их новых исследовательских проектов. Уже подготовлена почва для создания нового поколения обсерваторий, оборудованных по последнему слову техники. Этому проекту в NASA уже дали название «Beyond Einstein» — «После Эйнштейна». Самая мощная из них, «Constellation-X», будет оснащена четырьмя рентгеновскими телескопами и окажется в 100 более чувствительной, чем любое имеющееся сейчас оборудование для исследования космического рентгеновского излучения и черных дыр. От нее ждут революционных изменений в представлениях ученых о черных дырах и о самой природе гравитации.

Однако с осуществлением этих проектов придется повременить. Правительство США приняло решение отложить осуществление проекта и пока не выделять на него 1,5–2 миллиарда долларов, отдав преимущество честолюбивым планам NASA по возобновлению пилотируемых космических исследований. Однако NASA все же обещает включить финансирование проекта в бюджет 2009 года.

«Есть надежда, что запуск станции «Constellation-X» позволит внести ясность в некоторые основополагающие вопросы устройства Вселенной, — говорил президент Американского астрономического общества Дж. Крейг Уиллер в цитированном выше интервью. — Но все мы понимаем, что деньги на его разработку могут дать, а могут и не дать». И в самом деле, есть исследователи, которые считают, что принципиальный прорыв в физике черных дыр следует ждать в совсем другой области. Уже в этом году должен быть введен в строй крупнейший в мире ускоритель частиц — «Большой адронный коллайдер» (Large Hadron Collider), строящийся в Швейцарии. И столкновения частиц с очень высокими энергиями, которые там будут достигаться, приведут к возникновению крошечных черных дыр.

Но куда бы ни пролился золотой дождь из американского или европейского бюджета, исследование черных дыр будет продолжено. Неясным остается одно: будут ли их загадки разгаданы постепенно, или все тайны, скрытые в непостижимых глубинах космоса, удастся раскрыть разом, используя новые мощные исследовательские технологии.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

Сергей Шульженко, 20.01.2007

 

Новости партнёров