Как находить чёрные дыры?
Как находить чёрные дыры?
До начала 60-х годов, по-видимому, никто из астрологов серьезно и не пробовал находить ни нейтронные звезды, ни тем паче темные дыры. Неразговорчиво предполагалось, что эти объекты очень эксцентричны и вероятнее всего представляют собой только выдумку теоретиков. О их даже предпочитали не гласить. Время от времени глухо упоминалось, что они, может быть, и могли образоваться, но, скорее всего, этого не происходит. И во всяком случае, если они есть, то их нельзя найти.
Настолько странноватые объекты нарушали обычную для астрологов картину Вселенной. По поводу темных дыр большая часть астрологов вообщем с колебанием покачивали головами. Даже принятого наименования для этих объектов не было. Посреди тех, кто не веровал в возможность существования темных дыр, был астролог британец А. Эд-дингтон (1882—1944). Путь его в астрономию традиционный. Он начинал как астроном-наблюдатель в Гринвичской обсерватории, много занимался вопросами статистики звездных движений. В 1914 году стал директором обсерватории Кембриджского института, и все его научные интересы сосредоточились на вопросах астрофизики, которая как раз в это время формировалась как самостоятельная наука.
Награды его в астрофизике тяжело переоценить. Он первым сообразил главные процессы, которые определяют внутреннее строение звезд, выдвинул самую важную идею о том, что энергия из глубочайших недр звезды к поверхности переносится в главном методом неспешного “просачивания” света через непрозрачный газ, а не конвекцией, подобно кипящей воде в кастрюле на плитке. Еще в 1916 году, когда о ядерных реакциях не было и понятия, он показал, что источником энергии в звездах не может быть их постепенное сжатие с нагреванием, как тогда задумывались, а должны быть какие-то глубинные перевоплощения материи, которые А. Эддингтон называл субатомными. Он занимался исследованием пульсации звезд, строени-ем их атмосфер и многими другими неуввязками астрофизики.
А. Эддингтон одним из первых сообразил глубину и новизну общей теории относительности. Он управлял экспедицией, которая в 1919 году во время полного солнечного затмения в первый раз измерила отклонение лучей света в поле тяготения Солнца в полном согласии с пророчеством теории Эйнштейна. Его научные награды были общепри-знаны: он был президентом Английского царского астрономического общества, президентом Английского физического общества, президентом Интернационального астрономического союза, членом многих академий, в том числе и зарубежным членом-корреспондентом АН СССР.
И вот этот человек не мог свыкнуться с идеей о том, что довольно мощная звезда должна в конце концов утратить устойчивость и испытать катастрофическое сжатие. Как пишет С. Чандрасекхар, А. Эддингтон считал неосуществимым коллапс звезды, в процессе которого “гравитация станет таковой сильной, что удушит излучение”, другими словами возникнет темная дыра.
По воззрению С. Чандрасекхара, резко отрицательная позиция настолько знатного астролога задержала развитие релятивистской астрофизики на 10-ки лет. В чем тут дело? Почему передовой и проницательный ко всему новенькому ученый не сообразил и не оценил настолько принципиальной идеи?
Наверняка, прав русский астрофизик И. Шкловский, сказавший, что А. Эддингтон очень обожал звезды, которым он дал всю свою жизнь (жизнь одинокого человека, респектабельного старенького холостяка). Он выстроил теорию равновесия и стойкости звезд, а здесь такая трагедия — коллапс… Этого не может быть, утверждал А. Эддингтон. Природа должна была “изобрести” какое-нибудь средство, предохраняющее галлактическую материю от такового ничтожного конца! И. Шкловский справедливо заключает: “Не напрасно говорится, что наши недочеты есть продолжение наших плюсов”.
Даже в еще более позже время, в конце 50-х годов, когда я обучался в Столичном институте на астрономическом отделении, никто из наших профессоров никогда не произнес нам, во что преобразуются мощные звезды после собственной погибели. Может быть, какую-то роль тут игралось само понятие погибели, о которой не очень охото и не принято обычно гласить. Вот и погибель звезд была собственного рода “запрещенной темой для обсуждения в солидном обществе”.
К тому же и экзотика темных дыр, и сложность понятий общей теории относительности, не бывшей в чести у старшего поколения астрологов, игрались свою роль.
Но в 60-е годы ряд открытий принудил астрологов поменять собственный взор на многие процессы во Вселенной. Были открыты активные ядра галактик и квазары, излучавшие энергию более массивно, чем тыщи млрд звезд, было найдено реликтовое радиоизлучение, оставшееся во Вселенной от первых мгновений начала ее расширения. После всего этого нейтронные звезды и темные дыры закончили казаться настолько уж экзотичными объектами. И в конце концов, в 1967 году, как мы уже писали выше, были открыты нейтронные звезды — пульсары. Наступила очередь темных дыр. Но как их найти? Ведь они не светят и не отражают свет?!
У астрологов, но, уже был накоплен опыт исследования неизлучающих объектов. Таковы, к примеру, черные пылевые туманности. Они видны как темные пятна на фоне звезд либо светящихся газовых туманностей. Но пылевые туманности являются циклопическими по своим размерам объектами, а темные дыры звездного происхождения имеют в поперечнике всего-навсего десяток км. И потому что они появляются из мощных звезд, то наиблежайшая темная дыра должна быть размещена от нас на расстоянии порядка нескольких 10-ов световых лет. Как следует, видимые угловые размеры таковой темной дыры должны составлять 0,00000001 угловой секунды, и узреть ее как черное пятнышко полностью нереально.
Темная дыра должна отклонять проходящие мимо нее лучи света. Но чтоб этот эффект был довольно приметен, обоюдное размещение источника света (какой-нибудь еще больше дальной звезды), темной дыры и наблюдающего должно быть подобрано настолько особым образом, что о случайной реализации этого действия нечего и мыслить.
Остается использовать тот факт, что темные дыры владеют массами, равными массам огромных звезд, а сами совершенно не светят. Конкретно так подошли к поискам темных дыр в 1964 году русские астрофизики О. Гусейнов и Я. Зельдович. Они предложили находить темные дыры в составе двойных звездных систем, предположив, что есть системы, где одна звезда обычная и сияет, а другая представляет собой черную дыру. Оба объекта должны обращаться вокруг общего центра тяжести. Но темная дыра невидима, так что видимая компонента будет обращаться нак бы вокруг “ничего”.
Естественно, узреть конкретное орбитальное движение звезды с огромного расстояния нельзя ни в одной телескоп. Но можно использовать особый способ, обширно всераспространенный в астрофизике. Когда звезда, двигаясь по орбите, приближается к нам, полосы в ее диапазоне смещаются в фиолетовую сторону, а когда удаляется, — в красноватую сторону. Астрологам издавна известны так именуемые спектрально-двойные звезды, двойственность которых была открыта при помощи описанного способа. В спектрально-двойных системах, состоящих из обыденных звезд, если одна звезда движется к нам, а другая — от нас, полосы будут сдвинуты в обратные стороны. Нередко наблюдаются и повторяющиеся смещения линий в диапазоне только одной звезды, а линий в диапазоне 2-ой не видно совсем. Казалось бы, здесь нужно заподозрить наличие темной дыры. Но почти всегда это элементарно разъясняется тем, что другая звезда хоть и светит, но приметно слабее первой; свет ее утопает в свете ‘броской соседки, и только потому она не видна.
Русские астрофизики предложили находить потухшие звезды в таких спектрально-двойных системах, в каких масса невидимого спутника, вычисленная по наблюдаемому движению видимой звезды, оказалась больше массы видимой соседки. Это означало бы, что спутник-невидимка является не обыкновенной, а потухшей звездой. Ибо если б спутник был обыкновенной звездой, то, превосходя по массе свою соседку, он и светил бы ярче ее, и не мог бы быть невидим.
Но потухшая звезда может быть и белоснежным лилипутом, и нейтронной звездой. Потому, чтоб из найденных потухших звезд выделить конкретно темные дыры, было надо еще обосновать, что масса невидимого спутника больше критичной массы (две массы Солнца). Как мы уже знаем, масса белоснежного лилипута не может превосходить 1,2 массы Солнца, а масса нейтронной звезды — 2 массы Солнца. Означает, если масса потухшей звезды больше критичного значения и составляет, скажем, 5 солнечных масс, то это может быть только темная дыра.
Следуя этим указаниям, у нас в стране, а потом в США были предприняты поиски темных дыр в спектрально-двойных системах. Но эти пробы не привели к успеху. Во всех подозригельных спектрально-двойных системах удалось разъяснить невидимость спутника естественным методом, не прибегая к черным дырам. Предложенный метод поиска оказался очень сложным, потому что “черноте”, обнаруженной окружным методом, практически всегда можно придумать разъяснение, почему она черна. Ну и вообщем, “невидимость” служит нехорошим подтверждением существования чего-либо. Это звучит, подобно старенькой шуточке о заглавии диссертации: “Отсутствие телеграфных столбов и проводов в археологических раскопках как подтверждение наличия радиосвязи у старых народов”.
Выяснилось к тому же, что обозначенный метод и в принципе навряд ли мог привести к успеху. Причина этого была связана с особенным нравом эволюции звезд в тесноватых двойных системах. Оказывается, в процессе эволюции газ должен перетекать с одной звезды на другую, и в итоге сначало более мощная звезда, заканчивая свою эволюцию и превращаясь в черную дыру, передает часть массы наименее громоздкой. В конце концов оказывается, что видимая звезда обладает массой, большей, чем масса сначало появившейся темной дыры. У таковой двойной системы нельзя найти, почему спутник невидим, — или он обычная звезда, но сияет слабее соседки (потому что его масса меньше), или он — потухшая звезда и может быть темной дырой.
Нужно было отыскать такие физические явления, в каких темная дыра проявляла бы себя интенсивно и совершенно точно. И такое явление было найдено — это падение газа в поле тяготения темной дыры.
В межзвездном пространстве имеются необъятные газовые туманности. Если темная дыра находится в таковой туманности, газ будет падать в ее поле тяготения. В падающем газе, не считая того, имеется магнитное поле, а в процессе падения развиваются турбулентные движения. Энергия магнитного поля газа в процессе падения должна перебегать в тепло. “Нагретые” электроны, двигаясь в магнитных полях, источают электрические волны. Поблизости горизонта темной дыры вступают в игру эффекты общей теории относительности. Часть излучения захватывается темной дырой. Основная толика излучения, видимая дальним наблюдателем, уходит с расстояния в несколько гравитационных градусов. Так, еще на подлете к темной дыре, до того как провалиться в нее, подогретый газ испускает энергию в окружающее место. Может быть, это излучение довольно для обнаружения темной дыры с огромного расстояния?
Полное количество излучения (либо, как молвят астрофизики, светимость) находится в зависимости от количества падающего газа. В обычных для межзвездной среды критериях светимость газа, падающего на черную дыру, такого же порядка, что и светимость обычных, не очень ярчайших звезд. Это означает, что отыскать таким методом темные дыры очень тяжело. Они затеряны посреди множества слабеньких ввезд Галактики. Правда, в падающем на черную дыру газе турбулентные движения приводят к резвым колебаниям яркости с длительностью вспышек от сотых до десятитысячных толикой секунды.
Русский астрофизик В. Шварцман конкретно таким методом предлагал в конце 60-х годов находить темные дыры. Он совместно со своими товарищами сделал в специальной астрофизической обсерватории АН СССР целый комплекс устройств для этой цели под заглавием “Многоканальный анализатор наносекундных импульсов конфигурации яркости”, либо, сокращенно, МАНИЯ. Заглавие оказалось символичным. Многие годы упрямого труда по конструкции, созданию и отладке устройств, пробные наблюдения, в конце концов, поиски… В. Шварцман длительно шел эгим методом экспериментатора практически с маниакальным упорством. По ходу дела были выполнены достойные внимания наблюдения различных небесных объектов. Но, как досадно бы это не звучало, темные дыры так обнаружены и не были…
Новиков И.Д.