Хронограф
181522
291623
3101724
4111825
5121926
6132027
7142128

<февраль>

Путеводители

Весовой ценз для примадонн

Исполнительницам главных партий во вселенской драме негоже быть слишком тяжелыми

Наблюдательная астрономия и теоретическая физика в последние годы все чаще показывают, насколько далеки были от истины классические представления об абсолютно стабильных черных дырах. В их жизни много интересных и ярких событий. Коллаж: Олег Сендюрев / «Вокруг света» по иллюстрации Dana Berry/NASA и фото Judith (CC-BY)

В начале сентября этого года стало известно об интересном и важном исследовании, выполненном двумя американскими астрономами. Его результаты скоро будут опубликованы в Записках Королевского астрономического общества (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS). Статью представили Приямвада Натараджан (Priyamvada Natarajan), доцент физики и астрономии Йельского университета (Yale University), член Радклиффского института перспективных исследований (Radcliffe Institute for Advanced Study), и Изекиль Трейстер (Ezequiel Treister), постдок Гавайского университета (University of Hawaii).

Авторы исследования утверждают, что после достижения черной дырой своеобразного «потолка» приблизительно в десять миллиардов солнечных масс запускается механизм саморегуляции её дальнейшего роста. Основу публикации составляют данные наблюдений, но в то же время предлагается и определенная модель, на основании которой можно объяснить постепенное замедление, а потом и полное прекращение увеличения массы гигантских черных дыр.

По всей видимости, невозможность бесконечно наращивать массу обеспечивается интенсивным излучением от падающего в черную дыру вещества. По образному выражению штатного комментатора из журнала New Scientist, оно «продувает окрестности черной дыры, лишая её новой пищи». Идеи Натараджан и Трейстера исключительно важны для исследований по эволюции сверхмассивных галактик, происходящей, судя по всему, в неразрывной связи с эволюцией расположенных в их центральной части черных дыр.

Сама Натараджан считает, что обнаруженное ими явление представляет в совершенно новом свете значение этих экзотических космических объектов в эволюции Вселенной. «Давно уже накапливаются данные о той ключевой роли, которую черные дыры играют в процессе формирования галактик, — приводит ее слова пресс-релиз Йельского университета, — но теперь становится ясно: они подлинные примадонны этой космической оперы».

История изучения черных дыр — превратившихся в течение ХХ столетия из объекта размышлений физиков-теоретиков в предмет исследований наблюдательной астрономии — впечатляющий пример смены парадигм в естественных науках. Парадигму Ньютона, предполагавшую исследование в первую очередь неизменных во времени объектов Природы, окончательно и бесповоротно сменила эволюционная парадигма; мы с полным основанием можем называть её парадигмой Дарвина.

Черные дыры на земле и в небе

В последние годы термин «черная дыра» получил очень широкое признание в обыденной жизни, и его применяют порой в самых неожиданных значениях. И даже стало как-то постепенно забываться, что пришел он из космологии, где его впервые использовал один из самых известный астрофизиков ХХ века Джон Уилер (John Archibald Wheeler, 1911–2008). Именно так он обозвал этот экзотический космический объект в публичной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное», прочитанной им в середине 60-х годов. До тех пор физики пользовались слишком наукообразным для ушей широкой публики словосочетанием «полностью гравитационно сколлапсировавшаяся звезда» (gravitationally completely collapsed star). Но уже к концу ХХ века черная дыра стала самым, пожалуй, популярным космологическим понятием. И это, по-видимому, не случайно: как заметил однажды Борис Стругацкий, «давным-давно, ещё в прошлом веке, мы перестали ждать от науки благотворных чудес — панацею, эликсир молодости, радикальное средство от облысения. Теперь в наших ожиданиях преобладают чудеса жестокие: бомба, рукотворная чума, черные дыры, в которые мы все провалимся».

Само представление о космическом теле, который в принципе нельзя увидеть, совсем не юное. Гипотетический космический объект, масса и гравитационное поле которого столь велики, что его не может покинуть даже свет, был впервые описан британским геологом и астрономом-любителем Джоном Митчеллом (John Michell, 1724–1793) в 1784 году в письме Генри Кавендишу (Henry Cavendish, 1731–1810). Текст письма был опубликован Лондонским Королевским Обществом (The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge).

Карл Шварцшильд написал работу, обессмертившую его имя, в Потсдаме в последний год жизни. Фото из архива Astrophysical Institute of Potsdam

Митчелл исходил из предположения, что сила тяготения действует на свет так же, как и на обычные массивные тела. Спустя некоторое время и Лаплас (Pierre-Simon Laplace, 1749–1827) выдвинул аналогичную идею и даже привел соответствующие вычисления в первом и втором издании своей «Системы мира», но исключил их из поздних изданий. После опытов Френеля (Augustin-Jean Fresnel, 1788–1827) восторжествовала волновая теория света, связывающая световые лучи с распространением колебаний в невесомом световом эфире. Силы тяготения на такую волну в принципе не могли повлиять.

Идея вернулась в физику только после появления в 1915 году релятивистской теории гравитации — общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна (Albert Einstein, 1879–1955). Год спустя немецкий теоретик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873–1916) легитимизировал идею «темной звезды» Митчелла и Лапласа, решив уравнения ОТО для сферически симметричного поля, создаваемого точечной массой. Шварцшильд, в частности, ввел понятие гравитационного радиуса — на орбите с таким радиусом первая космическая скорость равна скорости света. Никакая информация о том, что происходит внутри сферы Шварцшильда — сферы, радиус которой равен гравитационному, — не может покинуть её пределы, поэтому эту сферу называют также горизонтом событий.

Весьма важная для понимания процесса формирования черных дыр работа была опубликована в 1939 году Робертом Оппенгеймером (J. Robert Oppenheimer, 1904–1967). Она основывалась на представлении о гравитационном коллапсе звезд: когда реакции термоядерного синтеза заканчиваются и звезда остывает, она неизбежно начинает сжиматься под действием сил гравитации. Согласно расчетам Оппенгеймера, черная дыра при гравитационном коллапсе образуется лишь при условии, что масса коллапсирующей звезды превысит приблизительно три массы Солнца. По современным представлениям, коллапс заканчивается — в зависимости от массы звезды — образованием либо нейтронной звезды, либо черной дыры. Важным с точки зрения современной астрофизики отличием черной дыры от нейтронной звезды является отсутствие у первой твердой поверхности.

Но и после 1939 года черная дыра рассматривалась как занятная выдумка высоколобых теоретиков. Только в 1970-х Стивен Хокинг (Stephen William Hawking) и Роджер Пенроуз (Sir Roger Penrose) доказали, что при определенных условиях черные дыры действительно могут образовываться во Вселенной. Более того, оказалось, что черная дыра может испаряться. Одно из ключевых явлений, описываемых квантовой электродинамикой, — это поляризация вакуума. Принцип неопределенности не позволяет утверждать, что в вакууме ничего нет нигде и никогда — элементарные частицы могут самопроизвольно возникать и исчезать, даже если при этом нарушается закон сохранения энергии. Просто такие «всплески» должны быть очень короткими: тогда нарушение закона нельзя зафиксировать.

Хокинг показал, что гравитационное поле черной дыры (в особенности, очень маленькой черной дыры) не только очень сильное, но и очень переменное. И тогда даже очень маленькое расстояние, разделяющее родившиеся одновременно из вакуума частицу и античастицу, окажется достаточным, чтобы эти частицы не смогли больше исчезнуть. Точнее, одна из них исчезает в черной дыре, но вторая — покидает её, унося с собой некоторую энергию, а следовательно, и часть массы черной дыры. Эта работа Хокинга привела к тому, что образ черной дыры изменился кардинально: она перестала восприниматься как объект с неизменными во времени свойствами.

Реальная жизнь черных дыр

Квантовая теория черных дыр привела к тому, что в реальном их существовании больше почти никто не сомневался. У них появились все необходимые для жизни космического объекта атрибуты — масса, размер, температура, заряд, время жизни… Они могли возрастать и уменьшаться, их стали делить на разновидности от сверхмассивных, с массой от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс, до квантовых микродыр, с массой в доли грамма.

Радиус черной дыры связан с её массой линейной зависимостью, а её температура, согласно Хокингу, обратно пропорциональна массе. К примеру, черная дыра с массой в пять масс солнца имеет температуру около 12 нК, что много меньше 2,7 К — температуры наполняющего космическое пространство реликтового излучения. Подобная «холодная» дыра получала бы больше энергии от окружающего её «горячего» пространства, нежели отдавала бы за счет хокинговского излучения. Для супермассивных дыр, температура которых исчезающее мала, пренебрежимо малым будет и процесс испарения, в то время как для квантовых черных дыр оно происходит с очень высокой интенсивностью.

Образование звезды из разогретого межзвездного газа в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры. По расчетам теоретиков, именно так должен протекать процесс в эллиптических галактиках. Иллюстрация: NASA/JPL-Caltech

Черная дыра не может жить вечно; для нее время жизни, согласно расчетам, прямо пропорционально кубу массы. При этом исчезновение квантовых микродыр с крайне малым временем жизни должно сопровождаться сильными вспышками гамма-излучения. Так, черная дыра весом с автомобиль (относящаяся к виду квантовых микродыр) испарилась бы в течение одной наносекунды, причем в процессе испарения её светимость в 200 раз превысила бы светимость Солнца. А черная дыра массой порядка 10–24 кг испарилась бы за время меньше 10–88 с. При всем том описывать поведение черных дыр такой массы мы сможем, лишь когда в распоряжении физиков появится теория квантовой гравитации, объединяющая квантовую механику и общую теорию относительности. Однако эта теория ещё не создана.

Добавим к этому, что, кроме температуры, у черной дыры есть только масса, заряд и момент импульса. Две черные звезды, у которых совпадают три последние характеристики, считаются неразличимыми. С другой стороны, исходная звезда, коллапс которой породил черную дыру, характеризуется огромным числом параметров. Исчезновение соответствующей информации в процессе формирования черной дыры не имеет адекватного объяснения; в астрофизике в связи с этим сформировалось понятие об «информационном парадоксе черной дыры» (black hole information loss paradox).

Из четырех видов черных дыр только те из них, чья масса не многократно превышает солнечную, образуются «классическим» путем, то есть в результате гравитационного коллапса. Наибольшее же внимание физиков в настоящее время привлекают процессы формирования и эволюции самых маленьких и самых больших черных дыр: квантовых и сверхмассивных. При этом в существовании сверхмассивных черных дыр убеждено большинство астрономов; что же касается квантовых микродыр, то, в соответствии с некоторым теоретическими моделями, они могут рождаться в результате флуктуаций гравитационного поля в момент Большого взрыва, а также при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой. В 2008 году NASA запустила Гамма телескоп имени Энрико Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope), одной из задач которого является как раз поиск возможных следов рентгеновских вспышек в результате исчезновения реликтовых микродыр. Теоретики не исключают также возникновения квантовых черных дыр в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC).

Что же касается сверхмассивных черных дыр, то они «вырастают» из черных дыр меньшей массы прежде всего в ходе их слияния со звездами. Увеличивать свою массу черная дыра может, поглощая, к примеру, газ соседней звезды. Такой процесс называют аккрецией. В процессе падения на звезду газ может закручиваться, и тогда вокруг черной дыры формируется так называемый аккреционный диск. Находящееся в диске вещество нагревается и излучает энергию в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного спектра.

Туманности и облака межзвездного газа для такого излучения практически прозрачны. Конечно, источники рентгеновского и гамма-излучения могут иметь и другую природу — прежде всего, нейтронные звезды. Но когда ультрарелятивистские частицы бомбардируют твердую поверхность, возникают нерегулярные рентгеновские и гамма-вспышки. Отсутствие таких вспышек в окрестности массивных и сверхплотных космических объектов позволяет с высокой степенью вероятности предположить, что мы имеем дело с черной дырой. Однако такого рода доказательства не всех удовлетворяют. Как отметил в интервью журналу «Popular Mechanics» профессор Гарвардского университета (Harvard University) Рамеш Нарайан (Ramesh Narayan), «нельзя не признать, что сейчас мы вынуждены довольствоваться негативными доказательствами существования черных дыр … Иначе говоря, мы полагаем наблюдаемые объекты дырами исключительно потому, что не можем разумно обосновать никакую другую гипотезу. Надеюсь, что следующим поколениям астрономов повезет несколько больше».

Беспредельная тяжесть

Подавляющее большинство астрономов убеждено, что сверхмассивные черные дыры расположены в центральной части всех больших галактик. Не является исключением и наша галактика Млечный Путь. Для проверки этой гипотезы активно используются телескопы на Гавайах и орбитальный телескоп Хаббла (Hubble Space Telescope). В январе 2008 года стало известно об открытии самой массивной из всех известных к настоящему времени черных дыр; её масса в 18 миллиардов раз превышает массу Солнца и по величине сравнима с массой небольшой галактики. Находится эта черная дыра на расстоянии 3,5 млрд световых лет от Земли.

Квазар OJ287 известен уже более ста лет. Раз в 11–12 лет он испускает две вспышки в оптическом диапазоне, разделенных относительно коротким промежутком времени. Гипотеза, что в ядре квазара находится двойная сверхмассивная черная дыра, дает прекрасное соответствие с наблюдаемой картиной и позволяет оценить массу входящих в систему черных дыр. Иллюстрация: Tuorla Observatory/Department of Physics and Astronomy/University of Turku 

Как удается астрономам оценить массу столь удаленного от Земли объекта? Данные наблюдений позволяют с высокой степенью вероятности предположить, что в данном случае речь идет о системе из двух черных дыр, напоминающей двойную звезду. По эллиптической траектории и с периодом обращения 12 лет вокруг рассматриваемой сверхмассивной черной дыры обращается другая, меньшая по массе («всего лишь» 10 миллионов солнечных масс). Центральная черная дыра окружена при этом аккреционным диском; пересечение его дважды за период меньшей черной дырой сопровождается мощными выбросами рентгеновского излучения. Соответствующие вспышки регистрируются на Земле с помощью рентгеновских телескопов. Однако наиболее убедительным свидетельством справедливости модели «двойной черной дыры» стала прецессия орбиты.

Напомним, что одним из достижений ОТО было объяснение наблюдаемой астрономами прецессии перигелия Меркурия. Аналогично и орбита меньшей черной дыры, согласно ОТО, должна была также испытывать прецессию. Модельные расчеты показали, что в гравитационном поле большой черной дыры точка наибольшего сближения с нею малой черной дыры должна смещаться на 39° за период. Группа астрономов, руководимая Маури Валтоненом (Mauri Valtonen) из обсерватории Туорла (Tuorla Observatory) в Финляндии, проанализировав все наблюдавшиеся вспышки, измерила прецессию, что и дало возможность оценить массу дыры как 18 миллиардов солнечных масс. Заметим, такие же значения были получены в отношении масс ещё одной пары черных дыр.

Как это ни парадоксально, сам Валтонен сомневается в расчетах, утверждая, что они основываются на информации о скоростях, с которыми вблизи черных дыр движутся облака газа — в то время как остается не до конца выяснен вопрос о том, действительно ли эти облака вращаются вокруг дыры, или просто движутся в её окрестности.

Открытие финских астрономов неизбежно подводит нас к вопросу о том, существует ли в природе какое-либо ограничение на возможные значения масс черных дыр? Рассказывая об открытии Маури Валтонена, журнал New Scientist приводит реплику Крэйга Уилера (Craig Wheeler) из Техасского университета (University of Texas in Austin), считающего, что «теоретически верхний предел для роста черных дыр не существует».

Однако не все согласны со столь категоричным заявлением известного астрофизика. На сегодняшний день есть несколько исследовательских групп, которые надеются обнаружить механизм, ограничивающий рост сверхмассивных черных дыр. И вполне вероятно, что за публикацией Натараджан и Трейстера последуют другие, либо оспаривающие предложенную ими модель, либо предлагающие альтернативную.

Борис Булюбаш, 30.10.2008

 

Новости партнёров