ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 83, № 3, с. 216-226
ОБОЗРЕНИЕ
Б01: 10.7868/8086958731303002Х
В статье рассказывается о современном состоянии астрономических исследований в области изучения чёрных дыр. В настоящее время у учёных остаётся всё меньше сомнений в их существовании, а в связи с запуском отечественного радиоинтерферометра "Радиоастрон" появилась надежда, что в недалёком будущем мы получим окончательные доказательства этого.
ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ: НАКАНУНЕ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО ОТКРЫТИЯ
А.М. Черепащук
Чёрные дыры — эти удивительные объекты Вселенной — постепенно завоёвывают "права гражданства" среди классических объектов астрофизики — звёзд, галактик и т.п. Из наблюдений следует, что число чёрных дыр звёздных масс (М= = 8—10 М0) в нашей Галактике составляет не менее 10 млн., или 0.1% от массы барионного вещества (звёзд, газа и пыли). Это значительная величина (~108 М0), поэтому можно говорить об открытии нового состояния материи в Галактике в виде чёрных дыр (коллапсирующее состояние вещества наряду с газообразным, жидким, твёрдым и плазменным состояниями). Выяснилось, что в центрах большинства галактик присутствуют сверхмассивные чёрные дыры (М = 106—1010 М0). В частности, масса чёрной дыры в центре нашей Галактики составляет (4.31 ± 0.36) х 106 М0, она определена с точностью выше 10% по движению 28 звёзд, обращающихся вокруг неё по эллиптическим орбитам [1] (рис. 1).
Свойства этих многочисленных и чрезвычайно компактных объектов очень похожи на свойства чёрных дыр, предсказываемые общей теорией относительности (ОТО) А. Эйнштейна. Именно поэтому в настоящее время их и называют чёрными дырами, а не кандидатами в чёрные дыры, как это было принято, скажем, лет 30 назад.
ЧЕРЕПАЩУК Анатолий Михайлович — академик, директор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова.
Хотя следует признать, что до сих пор окончательных доказательств того, что эти компактные объекты являются чёрными дырами, пока не получено. Дело в том, что главная особенность чёрной дыры — отсутствие у неё наблюдаемой поверхности; вместо этого у чёрной дыры существует горизонт событий — световая поверхность в пространстве—времени, на которой, с точки зрения далёкого наблюдателя, ход времени останавливается. А доказать отсутствие наблюдаемой поверхности у объекта гораздо сложнее, чем доказать её присутствие. По очень точному высказыванию академика В.Л. Гинзбурга, современные наблюдательные данные укрепляют нашу уверенность в реальном существовании чёрных дыр во Вселенной.
В нашем обзоре, опубликованном в 2004 г. [2], были описаны методы и результаты наблюдений сверхмассивных чёрных дыр и чёрных дыр звёздных масс. Сейчас, спустя почти девять лет, имеет смысл вернуться к рассмотрению данной проблемы. В июле 2011 г. произведён успешный запуск российского космического радиоинтерферометра "Радиоастрон". Руководитель этого уникального эксперимента — академик Н.С. Кардашёв. С помощью "Радиоастрона" можно наблюдать ядра галактик с угловым разрешением более 10-5 секунды дуги. Это даёт принципиальную возможность исследовать процессы вблизи горизонтов событий сверхмассивных чёрных дыр в ядрах ближайших галактик и, более того, "увидеть" изображение сверхмассивной чёрной дыры (точнее, изображение тёмной "тени" от чёрной дыры на ярком фоне аккреционного диска вокруг неё). Тем самым появляется реальная возможность окончательного доказательства существования чёрных дыр во Вселенной.
В 2012 г. исполнилось 40 лет с момента открытия "кандидата № 1" в чёрные дыры — компактного рентгеновского источника в двойной систе-
ме Су§ Х-1. Как известно, за это открытие и исследования в области рентгеновской астрономии профессор Рикардо Джиаккони в 2002 г. был удостоен Нобелевской премии.
В настоящем обзоре содержится рассказ о современном наблюдательном статусе чёрных дыр и перспективах дальнейших исследований этих экстремальных объектов.
Экзотика чёрных дыр. Чёрные дыры образуются при коллапсах (сжатии) массивных тел. По современным представлениям, с учётом эффектов ОТО, если масса ядра звезды, затронутого термоядерными реакциями, превышает 3 М0, то при коллапсе ядра образуется чёрная дыра. Если же масса ядра звезды менее 3 М0, то в конце её эволюции образуется нейтронная звезда или белый карлик. Под чёрной дырой понимается объект (точнее, область пространства—времени), гравитационное поле которого столь сильно, что никакой сигнал, даже свет, не может вырваться из него на пространственную бесконечность. То есть вторая космическая скорость для чёрной дыры равна скорости света в вакууме — 300000 км/с. Физической границей чёрной дыры, как уже отмечалось, является горизонт событий — световая поверхность в пространстве—времени. Любому сколь угодно малому промежутку времени на горизонте событий соответствует сколь угодно большой промежуток времени на пространственной бесконечности. Следует подчеркнуть, что у чёрных дыр, образовавшихся в нашу эпоху, горизонт событий ещё не успел сформироваться из-за релятивистского замедления хода времени для внешнего наблюдателя. Однако уже в первые секунды коллапса радиус сжимающегося объекта становится очень близким к горизонту событий. Все процессы на его поверхности для внешнего наблюдателя сильно растягиваются во времени и практически застывают, поэтому поверхность такого компактного объекта становится ненаблюдаемой. Для астрономов это практически горизонт событий.
Горизонт событий — это граница между различными сигналами, движущимися со скоростью света. Одни из них могут уйти на пространственную бесконечность, другие не могут. Как отмечают авторы [3], сможет ли сигнал навсегда покинуть чёрную дыру, зависит от области пространства—времени, которая расположена в будущем по отношению к источнику сигнала. Таким образом, движение горизонта событий чёрной дыры определяется не тем, что произошло с ним в прошлом, а тем, что произойдёт с ним в будущем. Эту необычную особенность горизонта событий — его способность "чувствовать" будущее — учёные иногда называют теологической природой горизонта [3].
Dec(")
R.A.(")
Рис. 1. Орбиты 28 звёзд вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, по которым, с использованием третьего закона Кеплера, оценивается масса чёрной дыры Мвн = (4.31 ± 0.36) х 106 Mq [1]
Если же говорить о внутренности чёрной дыры (так называемая T-область), то там, с точки зрения внешнего наблюдателя, пространственная и временная координаты меняются местами. Структура пространства—времени особенно сложна внутри вращающейся чёрной дыры. Согласно [3], здесь располагается так называемый горизонт Коши, который воспринимает информацию из формально бесконечного будущего нашей Вселенной. Поэтому структура пространства-времени внутри вращающейся чёрной дыры в сильной степени зависит от судьбы самой чёрной дыры в бесконечном будущем внешнего наблюдателя, например, от возможных столкновений с другими объектами, квантового испарения и даже от будущего всей Вселенной.
В существование таких поистине экстремальных объектов действительно трудно поверить. Именно поэтому, несмотря на наличие огромного наблюдательного материала по многочисленным кандидатам в чёрные дыры, который прекрасно согласуется с предсказаниями ОТО для чёрных дыр, учёные до сих пор ищут решающие доказательства существования чёрных дыр во Вселенной. Более того, предлагаются релятивистские теории гравитации, альтернативные ОТО, в которых отвергается возможность существования чёрных дыр. Например, как показано в работах А.А. Логунова [4] и Л.П. Грищука [5], если ввести в уравнения, описывающие гравитационное поле, члены, обусловленные ненулевой массой по-
Рис. 2. Математические модели рентгеновской двойной системы с прецессирующим аккреционным диском вокруг релятивистского объекта
40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Mq
■ NS + NS
NS + WD
.....5{"!Ч» h
NS in X-ray Bin
BH
4 * i i
Рис. 3. Измеренные массы нейтронных звёзд (NS) и чёрных дыр (ВН) в двойных системах NS + NS означает радиопульсар в паре с нейтронной звездой, NS + WD — радиопульсар в паре с белым карликом, NS + B—F — радиопульсар в паре с невырожденной звездой спектрального класса B—F, NS in Х-ray Bin — рентгеновский пульсар в двойной системе; пунктирная горизонтальная прямая отсекает значение 3 Mq — абсолютный верхний предел массы нейтронной звезды, предсказываемый ОТО А. Эйнштейна
коя гравитона, то горизонт событий не образуется, и коллапсирующий объект большой массы (более 3 Mq) может иметь наблюдаемую поверхность. Этот вывод радикально отличается от предсказания ОТО, что делает проблему поиска чёрных дыр особенно интригующей и интересной.
Чёрные дыры звёздных масс в рентгеновских двойных системах. Чёрные дыры встречаются в рентгеновских двойных системах (MBH = 4—20 Mq) и в ядрах галактик (MBH = 106—1010 Mq). Рентгеновская двойная система состоит из нормальной оптической звезды типа нашего Солнца (донора вещества) и релятивистского объекта — нейтронной звезды или чёрной дыры — находящегося в режиме аккреции вещества, поставляемого спутником. Приливные воздействия гравитационного поля релятивистского объекта на оптическую звезду вызывают её деформацию и истечение из неё вещества, что приводит к формированию вокруг релятивистского объекта аккреционного диска с высокой температурой в его центральных частях, поэтому окрестности релятивистского объекта светятся в рентгеновском диапазоне спектра (см., например, [6]). К настоящему времени с бортов специализированных спутников (UHURU, Einstein, Rosat, Мир-Квант, Granat, Ginga, Chandra, XMM-Newton, Integral и др.) открыто свыше 1000 рентгеновских двойных систем, которые стали мощным инструментом для обнаружения и исследования чёрных дыр звёздных масс (звёздных чёрных дыр). Сейчас рядом научных групп, в частности из США, Англии, Германии, Голландии, Франции, России, измерены массы 26 звёздных чёрных дыр (MBH = 4—20 Mq), а также массы примерно 50 нейтронных звёзд (MNS = 1—2 Mq) в двойных системах (рис. 2, 3).
Массы нейтронных звёзд лежат в пределах 1—2 Mq, средняя масса нейтро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.