Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Представим себе, что B превращается в чёрную дыру. Это означает, что если газ от A пройдёт через точку Лагранжа, он тут же попадёт в чёрную дыру. Произойти это может двумя способами. Один из них: стоит подождать достаточно долго, как звезда A начнёт расширяться, превратится в красного гиганта, и её внешние слои пройдут через точку Лагранжа. Существует и другая возможность: если звезда A – большая голубая звезда с сильным солнечным ветром, то частицы, из которых состоит этот ветер, также будут втянуты в чёрную дыру, если пройдут через точку Лагранжа.

Вычисления показывают, что всё вещество, которое проходит через точку Лагранжа, будет закручиваться по спирали по направлению к B, образуя диск аккреции. Отдельные частицы газа в этом диске будут вести себя, как планеты в нашей Солнечной системе, в том смысле, что те, которые окажутся ближе к чёрной дыре, будут двигаться быстрее, чем те, которые дальше от неё (так же, как Меркурий обращается быстрее, чем Земля). Это создаёт довольно высокое трение между слоями, отчего газ нагревается. К тому моменту, когда он попадёт в чёрную дыру, его температура составит миллиарды градусов, что приведёт к возникновению сильного рентгеновского излучения.

Итак, наши поиски свидетельствуют о том, что основные кандидаты на роль чёрных дыр – двойные звёзды, но, так как размеры чёрных дыр крайне малы, их присутствие в системе будет незаметно. Сможем ли мы обнаружить такие системы? Астрономам они знакомы, их называют спектрально-двойными. Хотя в телескоп видна только одна звезда, учёные знают, что на самом деле их две. Это видно по спектральным линиям, которые смещаются, потому что длина волны испускаемого такой звездой света меняется из-за орбитального движения (это явление называется эффектом Доплера).

Прежде чем обсуждать источники рентгеновского излучения такого типа, сделаем краткий обзор истории развития рентгеновской астрономии. Земная атмосфера не пропускает рентгеновского излучения, а для того чтобы выйти за её пределы, нужны ракеты, зонды и спутники. Первая ракета, оборудованная приборами для обнаружения рентгеновского излучения, была запущена в 1962 году. Сразу же было обнаружено несколько рентгеновских источников; один из них – в созвездии Скорпиона. Позднее удалось показать, что этим источником является яркая голубая звезда, но не было доказательств, что она входит в двойную систему. В последующие годы во время новых полётов обнаружили и другие источники. Два особо интересных находятся в созвездиях Центавра и Геркулеса. Оба имеют высокую частоту пульсации и, по-видимому, входят в двойную систему, но ни один из них так и не удалось отождествить с чёрной дырой.

Запуск спутника для регистрации рентгеновского излучения UHURU (что на суахили означает «свобода»), произведённый в Кении в День независимости в декабре 1970 года, способствовал быстрому развитию рентгеновской астрономии. Вскоре был опубликован первый каталог источников рентгеновского излучения, обнаруженных этим спутником; в нём содержалось 100 наименований, 55 из которых представляли особый интерес (с неидентифицированным источником рентгеновского излучения). Вскоре всё внимание сконцентрировалось на одном из них, известном под названием Лебедь XI. Он часто пульсировал, но пульсация не походила на импульсы источников в созвездиях Геркулеса и Центавра: они были непериодическими. Краткий период пульсации показывал, что источник мал – размером с чёрную дыру. Наконец, в 1971 году был обнаружен оптический компонент системы (который нельзя увидеть невооружённым глазом). Система представляет собой спектрально-двойную с периодом вращения 5,6 суток, причём второй компонент (источник рентгеновского излучения) не виден. Главная звезда – голубой гигант, зарегистрированный в каталоге Генри Дрейпера под номером HD226868.

А какова масса этих источников? Раз можно определить спектральный класс главной звезды, то можно примерно подсчитать и её массу. Оказалось, что она примерно в 22 раза больше массы нашего Солнца. Зная это и сделав некоторые допущения, можно определить массу звезды-спутника: она равна примерно восьми массам Солнца и вполне может оказаться чёрной дырой. Короче говоря, мы имеем источник рентгеновского излучения, который относится к невидимому и, следовательно, малому объекту, в восемь раз массивнее Солнца, и вполне подходит на роль чёрной дыры. Поскольку главная звезда является голубым гигантом, то предполагается, что в чёрную дыру затягивается солнечный ветер, а не наружный слой самой звезды.

Бесспорно, самым подходящим, но не единственным кандидатом является Лебедь XI. Сходный источник (Циркуль XI) в созвездии Циркуля также привлекает в последнее время внимание астрономов. Это спектрально-двойная система с периодом обращения 16,6 дня. В отличие от источника Лебедь XI, его излучение временами пропадает, причиной чего может служить покрытие источника рентгеновского излучения основной звездой. Временные изменения сигнала столь же краткие, как и у Лебедя XI, что указывает на схожесть размеров. Основной в системе является слабая красная звезда; некоторые астрономы считают, что её цвет и низкая светимость объясняются тем, что она окружена пылевым облаком, которое и задерживает свет. Главная трудность, связанная с Циркулем XI, заключается в том, что его масса неизвестна. В этом отношении Циркуль XI – не столь удачный кандидат, как Лебедь XI.

Другой кандидат находится на расстоянии примерно 5000 световых лет в направлении созвездия Скорпиона. Масса его известна, что выгодно отличает его от других претендентов. Масса главной звезды составляет от 20 до 30 масс Солнца, и это говорит о том, что звезда-спутник (кандидат на роль чёрной дыры) имеет массу от 7 до 11 солнечных. Но, как и в случае с Циркулем XI, тут есть одна трудность: временны?е изменения сигнала недостаточно коротки, чтобы предположить, что размеры источника соответствуют чёрной дыре.

Квазар ЗC273 в созвездии Девы

Все упомянутые выше претенденты на роль чёрных дыр являются спектрально-двойными, но есть ещё один, который не входит в такую систему, речь идёт о Кассиопее A. Этот источник рентгеновского излучения считают остатками сверхновой, взорвавшейся около 1668 года. Как ни странно, свидетельств о появлении в это время сверхновой не сохранилось. Советский астрофизик И. С. Шкловский, изучавший этот источник, пришёл к выводу, что его масса когда-то была выброшена в расширяющуюся оболочку вокруг сверхновой, а оставшийся центральный объект теперь имеет массу около 10 масс Солнца. Шкловский считает, что вместо взрыва сверхновой вполне могло произойти схлопывание, в результате которого образовалась чёрная дыра. По мнению Шкловского, существуют веские аргументы в пользу такого предположения.

Одни из самых удивительных кандидатов на роль чёрных дыр появились не в результате коллапса звёзд (во всяком случае, их нельзя считать его прямым следствием), а скорее относятся к группам звёзд или галактик. Гигантская эллиптическая галактика M 87, которая находится от нас на расстоянии 60 световых лет в скоплении галактик в созвездии Девы, является одновременно сильным источником радио- и рентгеновского излучения.

Газовый диск в ядре активной галактики М87

На фотографиях она выглядит как объект, выбрасывающий вещество на расстояние 4000 световых лет. В выбросе наблюдается значительная турбулентность, в которой заметны несколько вихрей. Сильней всего радиоизлучение в ядре галактики и в выбросе вещества. Наблюдения показали, что ближе к ядру звезды движутся с огромной скоростью (примерно 400 км/с), и есть доказательства того, что в этом районе происходит приток газа. Отсюда следует, что в ядре скопилось большое число звёзд и значит, ядро должно быть очень ярким. Однако это не так, хотя оно и весьма массивно; возможно, его масса в 5 миллиардов раз больше массы Солнца. Многие астрономы считают, что этот массивный объект является чёрной дырой. Гигантский диск аккреции вокруг него состоит из звёзд и газа, и по мере того, как они затягиваются в чёрную дыру, она излучает волны рентгеновского диапазона.

Гигантская эллиптическая галактика M 87 и ее шаровые скопления

Пояснения: В динамическом центре близкого скопления галактик в Деве на расстоянии около 50 млн. световых лет лежит галактика Мессье 87 (NGC 4486). Хотя границы эллиптических галактик трудно поддаются определению, по всем стандартам М 87 – огромная галактика. Она в 20 раз превосходит среднюю галактику типа Млечного Пути по размерам и в 40 раз – по массе, насчитывая несколько тысяч миллиардов звезд. Она является к тому же и мощным радиоисточником. С этой гигантской галактикой связано большое число шаровых звездных скоплений, видимых на фотографии в виде слегка размытых объектов, разбросанных по пространству галактики. Подобно всем эллиптическим галактикам, М 87 состоит в основном из старых звезд и практически лишена вещества, необходимого для образования новых звезд.