Наука и технологии России

Вход Регистрация
03.12.10 | Наука и техника: Наука и космос Маргарита Сафонова, кандидат физ.-мат. наук, Индийский институт астрофизики, Бангалор

Замороженные звёзды

Теоретически во Вселенной мы должны находить чёрные дыры всевозможных масс. Но сейчас наблюдатели подтверждают существование только очень больших чёрных дыр с размерами в миллион масс Солнца и выше и небольших чёрных дыр с массами от 3 до 30 масс Солнца. Неужели существует дыра в их распределении, и если да, то почему? А если чёрные дыры промежуточных масс есть, то где они и по какой причине мы их не видим?

рис.1,2 «Дыра» в лестнице масс. Слева: Обычная чёрная дыра массой до 10 масс Солнца. Справа: Центавр А – галактика, в центре которой сидит сверхмассивная чёрная дыра тяжелее миллиарда Солнц. Ещё в 2006 году существование чёрных дыр промежуточных масс было под вопросом. X-ray: NASA/CXC/KIPAC/S.All en et al; Radio: NRAO/VLA/G.Taylor; Infrared: NASA/ESA/McMaster Univ./W.Harris

Чёрные дыры смело претендуют на второе место после звёзд по многочисленности среди объектов нашей Вселенной. И это неудивительно, так как звёзды, как и люди, рождаются, стареют и умирают, а чёрные дыры – это конечные продукты эволюции массивных звёзд: в конце жизни в них превращаются звёзды, которые в 10–15 раз тяжелее нашего Солнца. Чёрные дыры – это объекты с такой чудовищной силой гравитации, что они замыкают пространство и время на себя, так что даже свет не способен преодолеть их притяжение. Астрофизические чёрные дыры характерны тем, что не излучают и не отражают электромагнитную энергию, а, наоборот, поглощают всё, что на них падает. Это название предложил в 1967 году американский учёный Джон Уиллер по аналогии с абсолютно чёрным телом в термодинамике, и оно оказалось столь удачным, что теперь его знает каждый.

Интересно отметить, что астрофизические чёрные дыры не такие уж и дыры, ведь та материя, которую дыра поглощает, не совсем проваливается куда-то бесследно, а идёт на увеличение её массы, и не такие уж и чёрные, поскольку их можно увидеть.

В 1964 году советский учёный Яков Зельдович предположил, что чёрные дыры (тогда они назывались «замороженные звёзды»), поглощая падающий на них газ, будут, образно говоря, захлёбываться и часть материи будет отбрасываться назад. К тому же материя будет так разгоняться чудовищным притяжением, что станет излучать в рентгеновском диапазоне. В 1966 году Яков Зельдович и Октай Гусейнов предположили также, что если чёрная дыра находится в двойной звёздной системе, то она себя проявит по возмущению движения звезды-компаньона. Этим советские учёные хотели сказать, что чёрные дыры не какие-то ненаблюдаемые теоретические объекты, а астрофизически активные участники галактической жизни. Надо отметить, что даже Эйнштейн не верил в их существование и считал, что допустил ошибку в уравнениях, приводящих к ним. Сейчас же метод поиска точечных рентгеновских источников – один из наиболее распространённых методов идентификации чёрных дыр.

Лестница масс

Теоретически ожидается, что во Вселенной существуют чёрные дыры всех масс, то есть они равномерно заполняют так называемую лестницу масс; чёрные дыры, как и звёзды, не статические объекты, они могут расти за счёт поглощения окружающей материи – газа, пыли, звёзд – или даже слияния друг с другом. Конечно, эта лестница имеет физические пределы: снизу она ограничена чёрными дырами с массой примерно в одну солнечную – самая маленькая, найденная в нашей галактике, чёрная дыра весит 3,8 массы Солнца. Таких обычных чёрных дыр с массами не более 50 масс Солнца, по теоретическим оценкам, в одной галактике может быть от десяти миллионов до миллиарда. Сейчас в нашей Галактике их известно около 50.

В принципе, возможно протянуть нижнюю границу этой лестницы до очень маленьких масс, только немного выше так называемой Планковской (27,76 мкг). Это уже область квантовых, или реликтовых, чёрных дыр, родившихся сразу после Большого взрыва, о которых ещё ничего нельзя сказать экспериментально – согласно излучению Хокинга, они могли все испариться к нашему времени. Впервые испарение чёрных дыр предложили советские учёные Моисей Марков и Валерий Фролов в 1970 году. Они обнаружили, что за счёт поляризации вакуума вблизи заряженной чёрной дыры происходит квантовое рождение частиц, вследствие чего её заряд уменьшается практически до полного исчезновения. Вскоре Зельдович и его аспирант Алексей Старобинский показали, что аналогичное явление происходит и вблизи вращающихся чёрных дыр, которые при этом теряют энергию и замедляются. Но последний, решающий шаг сделал английский учёный Стивен Хокинг. Он доказал, что излучают не только вращающиеся, но и стационарные чёрные дыры и за счёт этого излучения теряют свою массу, испаряются. Поэтому это излучение и носит его имя.

С другой стороны, лестница ограничена массами в миллиард масс Солнца. Самая тяжёлая, наиболее надёжно измеренная на 2009 год чёрная дыра находится в центре галактики М87 с массой в 6,4 миллиарда солнечных масс. Такие дыры называются сверхмассивными чёрными дырами.

По недавним подсчётам, количество активных ядер галактик, где именно поглощение окружающей материи сверхмассивной чёрной дырой служит источником мощной активности, превышает сто тысяч.

Похоже, что и в центрах всех нормальных (неактивных) галактик, как наш Млечный Путь или Андромеда, тоже находятся сверхмассивные чёрные дыры. Для этого только необходимо, чтобы галактика имела сфероидальную форму или компоненту, например, была эллиптической или, если спиральной, имела центральный сфероид, называемый астрономами балджем.

Некоторые учёные считают, что могут существовать чёрные дыры с массами в десять миллиардов масс Солнца и больше. Возможно, что самые яркие квазары (такие далёкие активные галактики, что их видно только как точечный источник) могут иметь гораздо более тяжёлые центральные дыры, чем думали раньше. Например, в 2007 году сообщили об открытии сверхгигантской чёрной дыры, весящей 18 миллиардов масс Солнца. Через год нашли 4 квазара ещё тяжелее. Но массы чёрных дыр в квазарах определяют косвенными методами, и результат сильно зависит от моделирования. Методы, основанные на спектральном измерении скоростей звёзд или газа, вращающихся вокруг супермассивной чёрной дыры, называются прямыми, и на сегодня массы супермассивных чёрных дыр, измеренные прямыми методами, считаются наиболее надёжными. Чтобы точно подтвердить существование сверхгигантских чёрных дыр, надо найти галактики, где скорости звёзд в центре достигали бы 400 км/сек, а мы таких галактик ещё не обнаружили. Одна из причин, почему чёрные дыры не могут расти без ограничений, заключается в том, что во время активной фазы своей жизни, сверхмассивная чёрная дыра поглощает всю близлежащую материю, выедая таким образом область пространства вокруг себя, и как только поступление материи прекращается, прекращается и рост чёрной дыры. Это называется механизмом обратной связи.

Итак, мы заполнили лестницу масс сверху, и снизу, и даже немного в середине. Оказалось, что, чем тяжелее чёрная дыра, тем тяжелее её родная галактика. И в центрах не очень массивных галактик, как, например, наш Млечный Путь, расположены не очень сверхмассивные чёрные дыры. Таким образом, нижний предел веса сверхмассивных чёрных дыр – это примерно миллион масс Солнца.

Оказалось также, что сверхмассивная чёрная дыра влияет и на другие свойства родной галактики. Например, чем больше её масса, тем ярче центральный сфероид и тем быстрее движутся там звёзды – тем больше центральная дисперсия звёздных скоростей, говорят астрономы. Продление этих зависимостей вниз по лестнице масс предсказывает существование чёрных дыр промежуточных масс – от 100 до 10000 масс Солнца, представляющих собой логический мостик между супермассивными и обычными чёрными дырами. Согласно этим зависимостям, такие чёрные дыры, продляя «сфероидный аргумент», должны существовать в меньших по размеру и массе сфероидных системах, то есть карликовых эллиптических галактиках и шаровых скоплениях. Теоретические и числовые расчёты предсказывают существование таких чёрных дыр, но, несмотря на почти сорокалетние усилия, их обнаружили лишь недавно. Начиная с 2007 года, по активности ядер в близлежащих карликовых галактиках их нашли уже 400, заполняя таким образом «дыру» в лестнице масс. Активные чёрные дыры легче заметить именно по их активности, в то время как радиус влияния неактивной промежуточной чёрной дыры на окружающие звёзды очень небольшой, меньше 1 секунды дуги, что даже космический телескоп Хаббл не способен различить. Однако всё же есть сообщения об обнаружении массивных чёрных дыр в нескольких нормальных карликовых галактиках и даже в шаровых скоплениях.

Продолжение следует.

Этот материал участвовал в конкурсе «Наука – обществу» в 2010 году в номинации «Лучшая научно-популярная статья».

РЕЙТИНГ

4.86
голосов: 7

Галереи

Высокие технологии. Искусство науки - 2010

Работы участников конкурса

101 фото

Обсуждение