Знание-сила, 2003 № 05 (911)

Что мы знаем и чего не знаем о черных дырах

Словосочетание «черная дыра» прочно вошло в наш обиход. Вполне можно ожидать, что в самом ближайшем будущем вместо «как сквозь землю провалился» будут говорить «провалился, как в черную дыру». И это будет высшей формой народного признания: широкое словоупотребление при полном смыслонепонимании. Уже сегодня можно, например, прочесть: «Обнаружена черная дыра, летящая в сторону Земли... Она летит, потому что образовалась из сверхновой звезды...»

А что на самом деле? Звезды намного массивнее Солнца, выгорая, проваливаются внутрь себя («коллапсируют»), выделяя огромное количество энергии в виде «вспышки сверхновой» и оставляя после себя сверхплотный остаток в виде так называемой нейтронной звезды, в которой все электроны вдавлены в протоны, так что она состоит из одних лишь нейтронов — отсюда и название. При еще большей массе исходной звезды (20 — 30 солнечных масс) ее коллапс приводит к образованию уже не нейтронной звезды, а «черной дыры», окруженной плотным диском оставшегося от звезды вешества. Но «дыра» эта никуда не летит — она только быстро вращается. Считается, что во взаимодействии «дыры» и диска каким-то пока еще не вполне понятным образом рождаются те чудовищные выбросы энергии, которые называются космическими гамма- вспышками.

Тем не менее летящая сквозь нашу Галактику (Млечный Путь) прямо в ее плоском диске черная дыра и впрямь обнаружена. Ее скорость в настоящее время составляет около 400 тысяч километров в час, а линейное движение объясняется тем, что сверхновая, остатком которой является эта дыра, имела близкого партнера, другую звезду, вместе с которой составляла пару. В таких парах обе звезды обращаются вокруг общего центра тяжести и, стало быть, имеют линейную скорость, как камень, вращающийся на веревке. В момент вспышки (коллапса) сверхновой ее гравитационное взаимодействие с партнером резко меняется, поскольку меняется — за счет выброса части вещества — масса звездного остатка, и в результате возникшая черная дыра вместе со звездой-партнером слетают прочь с прежней орбиты, как сорвавшийся с веревки камень. И летят.

Сотрудник французской Атомной комиссии Феликс Мирабель, который обнаружил эту дыру и определил ее движение по наблюдениям с 1996 по 2001 год за ее тускло светящимся звездным партнером, из которого она постепенно на лету высасывает вещество, сообщил о своих результатах в журнале «Astronomy and Astrophysics» в конце прошлого года. Аналогичная быстро движущаяся черная дыра была обнаружена в минувшем году в окружающем Млечный Путь сферическом звездном облаке (гало), но там большие скорости всех объектов — скорее правило, чем исключение. Ученые пока не знают всех деталей образования таких летящих черных дыр (в отличие от нейтронных звезд), потому сейчас они пытаются проследить траекторию обнаруженной ими летящей дыры вспять к месту ее возникновения: быть может, это позволит лучше понять, как она родилась.

Еще одно недавнее сообщение, касающееся черных дыр, тоже нуждается в дополнительных пояснениях. Речь шла об открытии двух обращающихся друг около друга по спирали черных дыр, которые в далеком (через сотни миллионов лет) будущем должны непременно столкнуться и слиться в единую, еще более массивную дыру. Прекрасно. И все верно, однако следует обязательно сказать, что это открытие подтвердило подозрения, которые мучили астрономов вот уже много лет, с тех пор, как они вообще заподозрили, что в центре многих галактик могут находиться огромные черные дыры.

Подобно тому, как наше Солнце выбрасывает в окружающее пространство длинные огненные рукава- протуберанцы, галактики выбрасывают в космос огромные, протяженностью во множество световых лет огненные струи, как правило, в двух противоположных направлениях из центра. Уже лет двадцать назад было выдвинуто ныне подтвердившееся предположение о природе появления этих струй. Объясняется оно тем, что центр галактики представляет собой активно действующее ядро — своего рода чудовищную энергетическую машину, в которой вещество плоского диска, окружающее супермассивную черную дыру, проваливаясь в нее, порождает невероятной мощности выброс рентгеновских лучей. Облака пыли, окружающие этот активный центр, поглощают рентгеновские лучи и переизлучают их в виде света более длинных волн вплоть до инфракрасных. По определенным причинам это излучение выбрасывается в виде упомянутых двух струй.

Тогда же, в начале 80-х годов XX века, были обнаружены галактики, обладающие странной особенностью: выбрасываемые из их активного ядра струи постепенно меняют направление, как говорят — «прецессируют» (так, земная ось не остается на месте, а прецессирует, описывая конус вокруг воображаемой линии, соединяющей северный и южный полюса). Нынешний королевский астроном Великобритании, профессор Кембриджского университета Мартин Рис вместе с Митчелом Бенгельманом и Роджером Бландфордом из Калифорнии выдвинули гипотезу, которая объясняла эту прецессию струй тем, что в центре таких галактик находится не одна, а сразу две черные дыры, «танцующие» вокруг друг друга.

В 1983 году астрономы обнаружили на расстоянии 400 миллионов световых лет от Земли галактику (каталоговый номер NGC6240), видимая форма которой резко отличалась от обычной и указывала, что этот космический объект скорее всего образовался в результате столкновения двух предшествовавших ему, меньших по размеру галактик — явление довольно частое в окружающей нас Вселенной. От других неправильных галактик ее отличал, однако, тот факт, что основная масса излучаемой ею энергии приходилась на инфракрасную часть спектра. Это можно было объяснить как наличием активного галактического ядра, так и тем, что в ее центре происходит активное звездорождение (оно тоже сопровождается выбросом инфракрасных лучей).

Выбор из этих двух возможностей удалось сделать благодаря запуску на околоземную орбиту обсерватории «Чандра», телескоп которой был рассчитан на наблюдение в рентгеновских лучах. Группа немецких астрономов, работая на этом телескопе, показала, что источник рентгеновских лучей, идущих из центра исследуемой галактики (и позже преобразующихся в инфракрасное излучение), имеет не сферическую, а протяженную форму и состоит, на самом деле, из двух источников. Оба они в высшей степени малы и интенсивны, что больше соответствует характеристикам черных дыр, а не районам звездорождения в галактиках. Кроме того, в их излучении присутствуют спектральные линии железа, а как раз появление атомов железа характерно для тех вспышек сверхновых звезд, из которых рождаются черные дыры (тяжелые элементы, вплоть до железа, появляются во Вселенной только благодаря вспышкам сверхновых звезд, в глубинах которых эти элементы образуются из водорода и гелия с помошью термоядерных реакций).

Таким образом, давние подозрения Риса и его коллег подтвердились: во Вселенной могут существовать галактики, активное ядро которых образовано парой черных дыр, а не одной. Было установлено, что черные дыры в ядре галактики NGC6240 имеют массу от 10 до 100 миллионов (!) солнечных масс и находятся на расстоянии 3000 световых лет друг от друга, поэтому процесс их сближения вплоть до слияния должен занять многие сотни миллионов лет. При слиянии этих дыр должна высвобождаться гравитационная энергия (как она, например, высвобождается в виде тепла и акустических волн, то есть звука при падении камня с высоты на землю), и часть ее будет излучаться в окружающий космос в виде гравитационных волн. Энергия этих волн, по подсчетам авторов открытия, будет наверняка достаточной, чтобы «Космический интерферометр» — прибор для улавливания гравитационных волн, планируемый к запуску в этом десятилетии, — мог их обнаружить. Поскольку в окружающей Вселенной таких галактик с парами черных дыр в центре должно быть много, ученые рассчитывают, что «Космический интерферометр» будет регистрировать по меньшей мере одно слияние в год, а то и больше.

Все ли это, что мы знаем и чего не знаем о черных дырах? Нет, разумеется, но теперь вы можете с достаточным основанием ответить, что знаете немного больше, чем знали раньше.