Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Со временем такая система становится все более компактной. Двигаясь по орбитам, черные дыры испускают гравитационные волны, и таким образом уносятся момент импульса и энергия. Дыры становятся все ближе и ближе друг к другу, пока наконец не сольются. Детекторы LIGO и VIRGO должны уловить гравитационно-волновые сигналы от этих слияний.

В 1960-е годы поняли удивительную вещь: гравитационные волны излучаются несимметрично. На первый взгляд кажется, что все симметрично: двойная система, два объекта водят хоровод по кругу. Однако это не так: ведь черные дыры сближаются по сворачивающейся спирали.

Любой объект, двигающийся с большой скоростью, больше излучает в направлении своего движения (точнее, так это выглядит в лабораторной системе отсчета). Это эффект Специальной теории относительности. Поэтому излучение гравитационных волн в системе из двух черных дыр идет несимметрично. Так происходит потому, что массы черных дыр отличаются друг от друга (добиться точного равенства масс практически невозможно). Это особенно заметно на последних стадиях, когда дыры фактически падают друг на друга. Гравитационные волны уносят не только момент импульса, но и обычный импульс. Получается удивительная штука. Представьте, что перед глазами у нас пара черных дыр. Они крутятся, центр масс системы вначале покоится относительно нас. Но по мере сближения черных дыр вся система начинает мало-помалу разгоняться. А потом они сливаются, и получившаяся черная дыра с огромной скоростью куда-то улетает.

Этот процесс называют гравитационно-волновой ракетой. И прелесть эффекта в том, что он не зависит от массы черных дыр, а зависит только от отношения масс (и от того, как они вращаются).

Это означает, что, если у нас сливаются две черные дыры с массами 5 и 10 масс Солнца или 5 и 10 миллиардов масс Солнца, то они в итоге могут приобрести одну и ту же скорость. Скорость посчитать очень непросто, поскольку на последнем этапе работает очень сильная гравитация, да еще в динамике (т. е. все быстро меняется). А мы плохо умеем решать такие задачи даже на суперкомпьютерах. Однако порядок скоростей удается оценить: получаются сотни километров в секунду. Максимальные скорости могут быть даже больше.

Сотни километров в секунду – с чем можно сравнить такую скорость? Это скорость, которая позволяет объекту улететь из Галактики. Чтобы покинуть Землю и стать спутником, нужна первая космическая скорость – почти 8 км/с. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и улететь в межпланетное пространство, нужно уйти за отметку 11 км/с. Есть скорость, которая позволяет улететь из Солнечной системы. А есть скорость, которая позволяет покинуть Галактику. Она зависит от того, из какого места вы стартуете. Но даже в центральных областях тысячи километров в секунду хватит для того, чтобы перестать быть гравитационно-связанным с нашей Галактикой и начать бороздить межгалактическое пространство. И черные дыры могут приобретать такие скорости.

Например, если сливаются две галактики, то существует небольшая вероятность того, что после того, как сверхмассивные черные дыры в их центрах сольются, получившаяся большая черная дыра из новой образовавшейся галактики улетит, потому что получит очень большую скорость. Особенно активно это должно было происходить миллиарды лет назад, когда галактики только начинали формироваться и еще не успели набрать большую массу – их было проще покинуть. Сейчас есть несколько галактик, в которых, как полагают, черные дыры после слияния приобрели значительную скорость. Покинуть тяжелую галактику они не смогли, но существенно сместились от центра, где мы их и наблюдаем.

Подводя итог этой главы, можно сказать, что нейтронные звезды и черные дыры есть не только в нашей Галактике, но и заполняют межгалактическое пространство, потому что существует очень много способов разогнать их до больших скоростей. В частности, до скоростей, которые позволяют им покинуть пределы своих родных звездных островов.

Нейтронных звезд и черных дыр много. Но насколько много, с чем сравнивать? Давайте поговорим о нашей Галактике. Галактика большая: в ней примерно 400 миллиардов звезд (для сравнения: волос на голове менее 100 000), т. е. сравнивать нужно с этим числом. Можно примерно прикинуть, сколько же нейтронных звезд и черных дыр существует в нашей Галактике, точнее говоря, сколько их образовалось за время ее жизни.

Нейтронные звезды и черные дыры возникают в результате взрывов сверхновых. Мы можем оценить темп сверхновых в нашей Галактике. Сейчас это где-то раз в 30 лет, т. е. примерно три за 100 лет. Сколько лет нашей Галактике? Около 10 миллиардов, можно привести число точнее, оно будет чуть-чуть побольше, но мы делаем приблизительную оценку, поэтому сохраним по возможности круглые числа. Делим одно на другое, получаем, что за время, уже прожитое Галактикой, в ней должно было образоваться 300 миллионов нейтронных звезд и черных дыр, если темп вспышек сверхновых не менялся. Скорее всего, в начале, когда Галактика была молодой и только образовывалась, темп был немножко выше. Кроме того, черные дыры иногда могут образовываться без яркой вспышки. Поэтому неплохой оценкой будет такая: примерно миллиард нейтронных звезд и черных дыр. Можем даже прикинуть, сколько нейтронных звезд и сколько черных дыр в отдельности, какова пропорция. Нейтронные звезды, как мы думаем, образуются из более легких звезд, скажем, от 10 масс солнца до 30 или 40 примерно. Черные дыры – из более тяжелых. Больших объектов всегда меньше, чем маленьких, поэтому нейтронных звезд больше. Больше – может быть, в 10 раз, может быть, раза в 3–4. То есть получается, что у нас в Галактике почти миллиард нейтронных звезд и более 100 миллионов черных дыр. Раньше писали: «Примерно по одной нейтронной звезде или черной дыре на каждого жителя Земли», – но теперь на всех не хватает.

Спрашивается, почему же мы их не видим? Потому что это дело довольно непростое. Скажем, на Земле более 6 миллиардов человек, а во френдах у нас в социальных сетях несколько сотен, может быть, у кого-то несколько тысяч – примерно столько нейтронных звезд и черных дыр мы знаем сейчас из наблюдений[14]. Обычно в социальных сетях мы френдим своих знакомых – тех, кто в некотором смысле (необязательно географическом) находится вокруг нас. Аналогично можно было бы предположить, что мы знаем большую часть нейтронных звезд или черных дыр в солнечной окрестности. Но это не так – мы знаем только самые яркие. Какие-то из них видны нам, как яркие источники, действительно, потому что находятся недалеко. Но какие-то в самом деле излучают много энергии. Настоящие звезды! Так и в социальных сетях, к примеру, люди в самых разных странах очень любят читать твиттер Стивена Фрая или еще кого-нибудь из очень известных людей. Их все знают! С нейтронными звездами и черными дырами ситуация похожая. Это вообще типичная астрономическая ситуация: мы видим яркие, заметные объекты. Даже если они далеко.