Маленькая книга о черных дырах - Франс Преториус

Другое сходство между вращающейся и заряженной черными дырами состоит в том, что электрическое поле заряженной черной дыры порождает направленное вовне эффективное давление, подобное центробежной силе в решении Керра. Это давление связано с существованием в решении Рейснера – Нордстрёма внутреннего горизонта. Поэтому существует максимальная величина заряда, при которой черная дыра становится экстремальной и выше которой горизонт событий перестает существовать, открывая «голую сингулярность». Как и в случае вращения, сделать заряд черной дыры слишком большим очень трудно или вообще невозможно: чтобы добиться этого, потребовалось бы добавлять в черную дыру все больше и больше одинаковых зарядов. Но одноименные заряды отталкиваются, и это отталкивание в конце концов стало бы столь сильным, что добавить еще хоть один заряд стало бы невозможно. Считается, что в нашей Вселенной все черные дыры очень близки к электрически нейтральным: если бы они каким-то образом приобрели большой заряд, они быстро притянули бы к себе из межзвездного пространства противоположно заряженные ионы или электроны и снова нейтрализовались.

В 1960-е и 1970-е годы, прозванные Золотым веком общей теории относительности, в понимании черных дыр произошла настоящая революция. Современное теоретическое представление о черных дырах, описанное в предыдущих главах, было в целом построено именно тогда благодаря математическим достижениям и глубоким прозрениям многих исследователей, среди которых были Джон Уилер, Кип Торн, Вернер Израэль, Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг. В то же самое время астрономы все глубже и дальше вглядывались во Вселенную, используя все более чувствительные оптические и радиотелескопы. Впервые появилось представление о том, как выглядит небо в рентгеновских лучах. Были открыты два новых и в то время казавшихся совершенно загадочными класса астрономических объектов: квазары и рентгеновские двойные системы. Именно там, как мы сейчас думаем, и находятся черные дыры.

Рентгеновская двойная – это звездная система, состоящая из обычной звезды и расположенного очень близко к ней второго, невидимого компаньона, как полагают, белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. Оба компаньона обращаются вокруг общего центра масс. Считается, что вещество переносится с наблюдаемой звезды на поверхность невидимого компаньона, что и объясняет интенсивное испускание этими системами рентгеновских фотонов.

Но если мы не видим второго объекта, откуда мы знаем, что он там есть? Ответ на этот вопрос дает вызванное орбитальным движением доплеровское смещение длины волны фотонов, рождающихся в атмосфере наблюдаемой звезды. Атомы и молекулы поглощают и излучают фотоны только на определенных длинах волн. Так образуются спектральные линии; каждый атом или молекула отличаются уникальным набором таких линий, при помощи которого присутствие этих атомов можно распознать. Например, натриевые уличные фонари светят ярко-желтым светом, потому что в их излучении преобладают две спектральные линии натрия с длиной волны 589,0 и 589,6 нанометра. Когда астрономы получают спектры звезд, они видят в этих спектрах множество линий поглощения и излучения, порожденных атомами и молекулами в атмосферах этих звезд. Если звезда входит в двойную систему, линии будут периодически демонстрировать попеременно то красное, то голубое смещение, причиной которого является орбитальное движение звезды относительно общего со второй звездой центра масс. Попеременное смещение линий – то же самое явление, которое мы обсуждали в связи с эллипсо-вихревой орбитой в главе 3.

Итак, теперь мы знаем, что рентгеновские двойные – это действительно двойные, хоть мы и видим в них лишь одну звезду. Но откуда нам известно, что в некоторых случаях, таких, например, как Cyg X-1 (яркая рентгеновская двойная в созвездии Лебедь), компаньоном оптической звезды является черная дыра? Что, если, скажет скептик, это просто обычная звезда, но слишком тусклая и потому невидимая с Земли? Ответ на это скептическое замечание оказывается очень простым: для тусклой звезды невидимый компаньон имеет слишком большую массу. Чтобы обосновать этот ответ, нам понадобится привлечь и связать друг с другом некоторые другие наблюдения, законы орбитального движения Кеплера и теорию звездной эволюции. Начнем с наблюдений. Из доплеровских смещений спектральных линий мы можем вывести не только сам факт двойственности звезды, но и подробные свойства ее орбиты. Период колебаний спектральных линий в точности воспроизводит орбитальный период двойной системы. Точные измерения доплеровских смещений в течение одного периода позволяют вычислить эллиптичность орбиты. Амплитуда сдвигов линий дает нижний предел максимальной скорости звезды. (Он будет равен истинной максимальной скорости только в том случае, если мы видим орбиту «с ребра», но наклонение орбиты может быть определено только в очень редких случаях.) Соединяя все эти наблюдательные данные с кеплеровскими законами движения по орбите, мы можем оценить нижний предел суммарной массы обоих компаньонов двойной системы. И если мы сумеем определить массу видимой звезды, то сможем вычислить и массу ее невидимого компаньона. Тут нам на помощь приходит теория эволюции звезд. Она говорит, что если мы знаем температуру поверхности и светимость звезды (и то и другое можно определить непосредственно из наблюдений), то наши представления о звездной эволюции позволяют довольно точно оценить ее массу.

Жизнь звезды определяется противодействующими друг другу силами: направленной к ее центру силой тяготения и направленной вовне силой давления раскаленного газа. Это, вообще-то, верно и для холодных планет, в том числе и для нашей Земли, но в отличие от планет звезды слишком массивны для того, чтобы давление, создаваемое холодным веществом, уравновесило тяготение, по крайней мере на ранних стадиях их жизни[10]. Зарождающаяся звезда представляет собой коллапсирующее (сжимающееся) облако газа, по преимуществу водорода. В процессе сжатия облака давление и температура в его ядре растут до тех пор, пока не начинается термоядерное горение: слияние атомов водорода. При этом выделяется колоссальное количество энергии в форме фотонов и нейтрино, которое продолжает разогревать ядро, и, наконец, тепловое давление становится достаточным для того, чтобы остановить сжатие. Вот в этот момент и рождается звезда. Со стороны это выглядит как достижение звездой состояния равновесия, но химический состав ядра непрерывно меняется по мере того, как водород в нем в процессе горения превращается в гелий. Что происходит в ядре звезды, когда запасы водорода в нем истощаются, зависит от массы звезды. Здесь мы не хотим слишком углубляться в разбор различных возможностей звездной эволюции. Скажем только, что самые массивные звезды (с массой от десяти до ста масс Солнца) проходят через множество фаз равновесия, разделенных моментами сжатия, в процессе которого в ядре каждый раз происходит рост температуры и давления, вследствие чего опять начинаются новые реакции термоядерного синтеза. Это длится до тех пор, пока не образуется ядро, состоящее в основном из атомов железа.