Маленькая книга о черных дырах - Франс Преториус

Как и тогда, когда мы говорили о рентгеновских двойных, мы должны проявить осторожность, думая о том, насколько уверенно мы можем утверждать, что ядра квазаров являются черными дырами. Это утверждение восходит к 1969 году, когда британский астрофизик Дональд Линден-Белл понял, что единственный способ объяснить фантастическую светимость AGN – это предположить, что источником их энергии являются черные дыры. Правда, он употреблял забавное выражение «горловина Шварцшильда» вместо термина «черная дыра», предложенного за несколько лет до того Джоном Уилером. Идея Линден-Белла для объяснения излучения квазара была все той же, что и для рентгеновской эмиссии источника Cyg X-1: аккреционный диск.

Отличие AGN состоит в том, что черные дыры в них гораздо больше, чем в двойных системах, поэтому пик светимости аккреционных дисков достигается на соответственно более длинных волнах. В результате AGN имеют наибольшую яркость в радио и оптическом диапазонах спектра. Большой размер объясняет также и наблюдаемую переменность излучения квазаров на шкале времени от минут до часов: она имеет ту же природу, что и миллисекундные квазипериодические осцилляции, наблюдаемые у Cyg X-1, а более длинные периоды связаны с тем, что у сверхмассивных черных дыр гораздо большие радиусы ISCO-орбит. Аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр состоят из газа и пыли, поступающих из окружающего их внутригалактического пространства, а иногда и из случайных звезд, неосторожно подошедших слишком близко к черной дыре и разорванных на части мощными приливными силами вблизи ее горизонта. В целом количество вещества, поглощаемого черной дырой из ее аккреционного диска, может достигать десятков или даже сотен солнечных масс в год. Именно аккреционные диски, а не сами черные дыры испускают свет. Они – маяки ранней Вселенной: ведь свет, который доходит к нам от них, был испущен миллиарды лет назад.

На первый взгляд может показаться удивительным, что какой-то аккреционный диск может давать достаточно энергии для того, чтобы квазар мог затмевать своим сиянием все остальные звезды галактики, вместе взятые.

Источник этой энергии – гравитационная потенциальная энергия вещества, обращающегося по орбите вокруг черной дыры. Это та самая потенциальная энергия, с которой мы каждый день сталкиваемся на Земле. Например, именно ее преобразуют в электрический ток гидроэлектростанции. Вода, падающая с большой высоты, отдает свою гравитационную потенциальную энергию, которую электростанции преобразуют в то самое электричество, что заставляет светить наши настольные лампы. В квазарах происходит нечто похожее, только энергия, которую они производят, в миллион триллионов триллионов раз больше той, которую вырабатывает крупная гидроэлектростанция. Когда мы говорим о черных дырах, количество потенциальной энергии, которая может превращаться в другие формы энергии при падении вещества с большого расстояния на ISCO-орбиту, удобно характеризовать как долю потенциальной энергии от общей энергии, соответствующей массе покоя (E = mc²) этого вещества. Эта величина зависит от вращения черной дыры, так как от него зависит положение ISCO-орбиты. Для невращающейся черной дыры она составляет 6 %, возрастая до 42 % для максимально быстро вращающейся[13]. Это огромный процент! Ведь, например, потенциальная энергия воды, падающей с высоты 100 метров, составляет триллионную долю процента от ее общей энергии, соответствующей массе покоя[14]. Наиболее эффективный доступный нам сегодня источник энергии – энергия распада ядер урана в ядерных реакторах. Если полностью использовать все урановое топливо в реакторе, эквивалент выделившейся энергии составит менее 0,1 % массы покоя урана. И все же энергия, выделяемая аккреционным диском, составляет лишь небольшую долю теоретически возможной для черной дыры. Считается, что большинство AGN «работают» с эффективностью, близкой к максимально возможной, но все-таки не равной ей. Главная причина этого вот в чем: когда газ нагревается и начинает излучать гигантскую энергию, тепловое давление в нем становится достаточно большим, чтобы противодействовать центростремительному потоку газа. В результате часть его выбрасывается наружу, образуя подобие звездного ветра.

Когда концепция черных дыр окрепла и астрономы начали соглашаться с тем, что эти объекты могут объяснить природу квазаров, возник естественный вопрос: не могут ли сверхмассивные черные дыры находиться в центрах и тех галактик, которые не имеют активного ядра? Первым такую возможность предположил Линден-Белл в своей статье 1969 года. Такие черные дыры можно было бы назвать «спящими» в том смысле, что вокруг них нет большого количества газа для формирования мощного аккреционного диска, и поэтому они не могут быть такими же яркими, как AGN. В близлежащих галактиках можно измерить доплеровские смещения линий в спектрах звезд, расположенных близ ядер этих галактик. Полученные из этих измерений данные о динамике орбитального движения звезд показывают, что в центральных областях практически всех крупных галактик действительно есть сверхмассивные черные дыры. Это, конечно, верно и для нашего Млечного Пути, центр которого находится достаточно близко к нам, чтобы в его окрестности можно было измерить движение звезд. Из этих измерений получается, что черная дыра в центре нашей Галактики имеет массу примерно в четыре миллиона масс Солнца. На шкале масс сверхмассивных черных дыр это значение ближе к ее нижнему концу, но все же согласуется с размером Млечного Пути (в бóльших галактиках обычно находятся и бóльшие черные дыры). Положение этой черной дыры совпадает с ярким радиоисточником Стрелец A* (или Sgr A*) в созвездии Стрельца. По-видимому, излучение источника Sgr A* порождается аккреционным диском вокруг черной дыры, но по сравнению с обычным AGN Sgr A* выглядит тусклым – наша черная дыра «спит».

В отличие от механизма происхождения черных дыр звездных масс, механизм образования сверхмассивных черных дыр пока неясен – на этот счет не существует общепринятой теории. Одна из возможностей заключается в том, что они зародились в результате коллапса первого поколения массивных звезд, образовавшихся спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва (который произошел почти 14 миллиардов лет назад). Первоначальная масса этих черных дыр, должно быть, достигала от десяти до ста солнечных. Но после того как они оказывались в центрах новообразованных галактик, они должны были расти за счет аккреции газа и слияний с другими черными дырами. Трудность этой гипотезы вот в чем: как объяснить наблюдения некоторых очень далеких квазаров, свет от которых, регистрируемый нами сейчас, был излучен всего примерно через миллиард лет после Большого взрыва? Из этих наблюдений следует, что в эту эпоху сверхмассивные черные дыры уже существовали, и значит, гипотеза аккреции/слияния каким-то образом должна объяснить, как они успели вырасти до таких размеров за столь космологически короткое время: каких-то несколько сотен миллионов лет. Другая гипотеза предполагает, что зародыши современных сверхмассивных черных дыр появились во Вселенной в гораздо более раннюю эпоху (или даже и вовсе в ходе того, что мы называем Большим взрывом, а может, и еще раньше). Этот гипотетический класс черных дыр называется первичными черными дырами. В настоящее время нет ни убедительных теоретических механизмов их образования, ни наблюдательных подтверждений их существования.