18.07.2012, 11:58:33

Двойная система из черной дыры и обычной звезды глазами художника. Иллюстрация NASA

Сияние абсолютной темноты

Ученые уточнили массу черной дыры необычного класса

В последнее время появилось сразу несколько интересных новостей, касающихся столь любимого публикой объекта как черные дыры. Так группе астрофизиков, работающих с Австралийским компактным радиоинтерферометром, удалось заметно уточнить массу объекта HLX-1, считающегося, пожалуй, первой черной дырой средней массы, обнаруженной напрямую. В свою очередь физики-теоретики выяснили, что в окрестности такой дыры могут синтезироваться ядра лития-7. Сами по себе эти новости - не сенсации, однако, дают прекрасный повод напомнить читателю о черных дырах.

Черные дыры

"Лента.ру" уже подробно писала о происхождении и развитии понятия "черная дыра". Если сказать коротко, то в 1915 году Карл Шварцшильд написал работы по теории относительности, в которых нашел точное решение уравнений Эйнштейна для сферически симметричного тела. Оказалось, что, если радиус этого тела при фиксированной массе оказывается равен некоторому пределу, то вторая космическая скорость (то есть скорость, необходимая для того, чтобы покинуть поверхность тела) для объекта оказывается равной скорости света. Так как теория относительности запрещает массивному телу двигаться с такой скоростью, то, все что падает на поверхность такого тела, не может эту поверхность покинуть. Более того, если радиус оказывается меньше этого предела (получившего название гравитационного радиуса), то окрестность такого тела не смогут покинуть даже безмассовые фотоны. То есть полученное тело будет черным - оно не будет ничего излучать, а будет только поглощать.
За прошедшие с тех пор почти сто лет понятие "черная дыра" заметно усложнилось. Так, выяснилось, что черные дыры самого сложного вида, именуемые дырами Керра-Ньюмена, не только вращаются, но и имеют электрический заряд. Кроме того, Стивену Хокингу удалось установить, что квантовые эффекты в окрестности горизонта событий такой черной дыры (это поэтическое название закрепилось за той самой воображаемой границей, после пересечения которой фотоны не могут вернуться назад) приводят пусть и к еле заметному, но излучению. Как следствие, черные дыры со временем способны потихоньку испаряться.
Наконец, основным и, пожалуй, самым парадоксальным результатом этой теории является знаменитая "теорема об отсутствии волос" (No hair theorem), которая утверждает, что дыры с одинаковой массой, зарядом и угловым моментом неотличимы друг от друга. То есть, если одна дыра образовалась в результате коллапса обычной звезды, а другая - звезды, состоящей из антиматерии, то такие дыры не различимы. Этот результат парадоксален, поскольку ставит перед физиками сложнейшую проблему современной космологии: существование черных дыр противоречит (пусть и несколько неформальному) принципу сохранения информации. То есть, например, если на поверхность одной черной дыры упал один слон с нулевым электрическим зарядом, а на поверхность другой - такой же по массе и заряду свинцовый куб, то что куда упало, мы не узнаем - большая часть информации об объектах, упавших на дыру, исчезает.

С точки зрения астрофизики, черные дыры условно делятся на дыры звездной массы (масса порядка 10 солнечных), дыры средней массы (масса порядка тысячи солнечных) и сверхмассивные (масса порядка 100 тысяч солнечных и выше). Есть также несколько экзотических классов черных дыр - скажем, микроскопические черные дыры. Несмотря на то, что для описания таких объектов необходимо объединение квантовой механики и теории относительности в одну общую теорию (чего пока не сделано), многие ученые не исключают их существования. В частности, подобные дыры позволяют объяснять многие сложные процессы в космологии. Масса типичной дыры может быть порядка массы Луны при радиусе около 0,1 миллиметра (для сравнения, гравитационный радиус Солнца составляет около трех километров).
Как бы то ни было, но для астрофизиков наибольший интерес представляют дыры первых трех классов. Черные дыры звездной массы, например, можно обнаружить в двойных рентгеновских системах - системах, в составе излучения которых присутствует мощная рентгеновская составляющая (если быть точным, то в рентгеновском диапазоне это одни из самых ярких объектов в Галактике). Источником такого излучения является компактный объект (черная дыра или нейтронная звезда), массу которого достаточно часто можно оценить. Как следствие, в некоторых случаях выясняется, что второй объект слишком массивный, чтобы быть нейтронной звездой, поэтому объект записывают в черные дыры. Также для поиска можно использовать излучение акреционного диска - диска материи вокруг дыры. Последний метод используется и для регистрации сверхмассивных черных дыр, правда, там речь идет о совершенно иных масштабах.
Первая дыра звездной массы была открыта в 1990 году - точнее, именно тогда научное сообщество признало, что обнаруженный в 1964 году в созвездии Лебедя объект X-1 и есть самая настоящая черная дыра. Аналогичным образом, в 2000 году было доказано, что компактный астрономический объект Стрелец А*, расположенный в центре Млечного Пути и открытый в 1974 году, представляет собой сверхмассивную черную дыру - первую в своем роде.

Дыры средней массы

Как видно, кандидаты на роль черных дыр первого и третьего типа были обнаружены еще 50 лет назад. А вот с черными дырами средней массы ситуация получилась другая - до недавнего времени не было даже известно подходящих кандидатов на роль таких объектов. Чтобы объяснить этот дефицит, астрофизики даже принялись искать довольно экзотические объяснения. Например, по одной из гипотез, черные дыры средней массы умело прячутся в шаровых скоплениях - особых образованиях внутри нашей Галактики. Считается, что эти образования состоят из достаточно старых звезд, рожденных из одного газопылевого облака. Если в центре такого скопления располагается черная дыра средней массы, то у нее недостаточно "еды", чтобы выдать свое присутствие. По другой гипотезе, множество таких дыр скрывается на задворках галактики.

Шаровое скопление HST G1, один из кандидатов на место обитания дыры средней массы

Одной из первых удач стало обнаружение кандидата в окрестности уже упоминавшегося Стрельца А*. Оказалось, что вокруг этой сверхмассивной дыры вращается дыра поменьше (около 1300 солнечных), однако эти результаты были подвергнуты критике со стороны специалистов. Наконец, в 2004 году астрономам улыбнулась удача: они нашли объект HLX-1. Он был обнаружен в результате поиска так называемых ультраярких источников рентгеновского излучения (ultraluminous X-ray source, ULX). Светимость этих объектов в рентгеновском диапазоне на несколько порядков превосходит светимость двойных рентгеновских систем.
В 2009 году в Nature появилась статья, в которой авторы получили оценку на массу компактного объекта HLX-1, анализируя мощность и спектральные особенности излучения. В результате оказалось, что дыра "весит" в пределах от сотни до ста тысяч солнечных. Им также удалось выяснить, что объект располагается на расстоянии 290 миллионов световых лет от Земли.
Оценка, однако, была довольно неточной, поэтому до последнего времени ученые сомневались, что открыта действительно черная дыра средней массы. В середине июля в Science появилась статья, в которой астрономы объявили, что им удалось получить независимые подтверждения того, что HLX-1 является так называемой черной дырой средней массы. Независимые подтверждения были получены по результатам наблюдения объекта с помощью Австралийского компактного радиоинтерферометра и моделирования. Астрофизикам удалось установить, что масса HLX-1 лежит в пределах от 9 тысяч до 90 тысяч солнечных масс. По словам самих исследователей, их открытие закрывает вопрос о существовании черных дыр средней массы.

Фабрика лития

В середине июля 2012 года в Physical Review Letters появилась статья, в которой ученые из Стокгольмского университета и Технической школы Мюнхена интересовались вопросом синтезирования лития в двойных рентгеновских системах. Дело в том, что одной из проблем современной космологии является проблема недостатка лития - теоретически предсказанное количество этого элемента больше наблюдаемого в разы. Так как по водороду и гелию существующая теория дает хорошее согласование с данными наблюдений, то ученые стараются придумать механизм, который бы отвечал за производство и уничтожение этого элемента во Вселенной.

Моделирование двойных систем позволило установить, что присутствие мощного рентгеновского излучения и высоких температур, вызванных трением разгоняемой до околосветовых скоростей материи, приводит к образованию лития-7. По словам ученых, значительная часть этого лития падает на поверхность дыры, однако некоторая его доля может выбрасываться в космическое пространство. Как следствие, двойные системы фактически работают "фабриками" лития и, при должной их распространенности, могли наполнить Вселенную этим элементом. Впрочем, даже сами авторы работы говорят, что их выводы во многом пока спекулятивны.

Андрей Коняев

[ Обсудить с другими читателями ]

Поиск по этому блогу

МОЯ РОДНАЯ ГРАНИЦА