VIVOS VOCO: А.М.Черепащук, "Демографія чорних дір"

© Черепащук А.М.

Демографія чорних дір

А.М.Черепащук

Анатолій Михайлович Черепащук, академік, директор ГАІШ,
завідувач астрономічним відділенням фізфаку МДУ,
віце-президент Європейського астрономічного товариства,
член Англійського Королівського астрономічного товариства.

До теперішнього часу відкрито кілька сотень масивних і надзвичайно компактних об'єктів, що спостерігаються властивості яких дуже схожі на властивості чорних дір, передбачених загальною теорією відносності (ЗТВ) А. Ейнштейна. Хоча остаточних доказів існування чорних дір поки не отримано, за останнє десятиліття вчені як ніколи наблизилися до виявлення подібних об'єктів. Оскільки ніяких протиріч з ОТО у кандидатів в чорні діри не помічено, астрономи ризикують використовувати термін «чорна діра» замість більш обережного «кандидат в чорні діри». Зростання числа виявлених кандидатів привів до того, що народилася нова галузь астрофізики - демографія чорних дір, що вивчає їх статистичні властивості і зв'язок з іншими об'єктами Всесвіту.

Під чорною дірою розуміють об'єкт, а точніше, область простору-часу, гравітаційне поле якої таке сильне, що навіть світло не може вирватися назовні. Іншими словами, друга космічна швидкість для чорної діри дорівнює швидкості світла.

Для Землі друга космічна швидкість, з якою космічний апарат може подолати тяжіння, дорівнює 11.2 км / с. Якщо стискати Землю, зберігаючи її масу, то друга космічна швидкість на її поверхні буде зростати. Вона досягне швидкості світла, коли радіус планети зменшиться до 9 мм, а щільність речовини зросте до 10 30 кг / м 3 (що на 13 порядків більше щільності атомного ядра). Далі Земля, згідно прогнозу ОТО, буде стискатися вже сама (в системі відліку, пов'язаної з речовиною Землі). Зрештою на місці нашої планети утворюється чорна діра.

У реальних умовах, зрозуміло, ніхто насильно не стискає небесні тіла, але деякі з них стискаються під дією власної гравітації. Чорні діри утворюються, наприклад, при колапсі внутрішніх частин найбільш масивних зірок, гравітація яких настільки сильна, що інші сили протистояти їй не можуть.

Дивовижні властивості чорних дір

Хоча про «темних зірок», на поверхні яких швидкість подолання тяжіння перевищує швидкість світла, писали ще в кінці XVIII ст. Д.Мічелл і П.Лаплас, чорні діри в їх нинішньому розумінні передбачив німецький астроном К.Шварцшільд, грунтуючись на рішенні рівнянь ЗТВ, в грудні 1915 року, а термін «чорна діра» винайшов американський фізик Дж.Уилер в 1968 р

Розмір чорної діри характеризується її гравітаційним радіусом

rg = 2GM / c 2,

де М - маса тіла, з - швидкість світла, G - постійна тяжіння. Гравітаційний радіус звичайно малий: для Землі, як уже говорилося, rg = 9 мм, для Сонця rg = 3 км, але для надмасивної чорної діри масою 2 · 10 9 M ¤ він вже становить rg = 40 а.о. (Астрономічних одиниць), що близько до віддалі від Сонця до Плутона; такі діри зустрічаються в ядрах галактик. Гравітаційний радіус входить як фундаментальний параметр в рішення рівнянь ЗТВ, отримане К.Шварцшільдом для гравітаційного поля сферично-симетричного невращающейся тіла [ 1 ]. У цьому полі тяжіння між двома тілами стає нескінченним в двох випадках - коли відстань r між центрами тел дорівнює нулю або r g. Особливість при r = 0 має місце і для класичного закону тяжіння Ньютона. Але на неї не звертають уваги, оскільки, перш ніж відстань між центрами тел досягне нуля, вони обов'язково стикнуться поверхнями.

Набагато істотніше особливість при r = r g. В цьому випадку сила тяжіння також звертається в нескінченність, і певний обсяг простору виявляється відокремленим від зовнішнього спостерігача нескінченним потенційним бар'єром. Все, що знаходиться всередині чорної діри, стає недоступним для дослідження зовнішнього спостерігача. Особливість при r = rg якраз і обумовлює екзотичні властивості чорних дірок. Фізичною межею чорної діри служить горизонт подій, на якому, з точки зору далекого спостерігача, хід часу зупиняється через релятивістського уповільнення.

Будь-якому малому проміжку часу там відповідає нескінченно великий проміжок часу спостерігача. Якщо ми пошлемо до чорної діри корабель з космонавтом, то в міру його наближення до дірі побачимо, що корабель почне уповільнювати свій рух і на обрії зупиниться. Але з точки зору самого космонавта падаючий на чорну діру корабель вільно проникає всередину, під горизонт подій, проте передати інформацію назовні буде неможливо, як і вивести корабель назад: всередині чорної діри можливо тільки рух до центру. Ми, зовнішні спостерігачі, ніколи нічого не дізнаємося про нутрощі чорної діри.

Для невращающейся (шварцшільдовскім) чорної діри (рис.1) радіус горизонту подій rh дорівнює гравітаційному (шварцшільдовскім) радіусу: rh = r g. А для обертової (рис.2) радіус горизонту подій менше гравітаційного радіуса (rh <rg). В цьому випадку горизонт подій розташований всередині ергосфери, де вихровий гравітаційне поле чорної діри змушує все тіла безперервно рухатися. З ергосфери можна витягувати енергію, причому з величезною ефективністю, в десятки разів перевищує ефективність виділення енергії при термоядерних реакціях [ 2 ].

Слід зазначити, що чорні діри, що народжуються в нашу епоху, а не в момент формування Всесвіту, строго кажучи, не можуть бути стовідсотковими чорними дірами. Через уповільнення часу поблизу горизонту подій поверхню колапсуючої зірки з точки зору далекого спостерігача нескінченно довго наближається до горизонту подій. Однак уже в перші секунди колапсу поверхню зірки підходить до горизонту дуже близько. Тому для віддалених спостерігачів сучасні чорні діри мають практично неспостережувані поверхні, всі процеси на яких дуже уповільнені. Для астрономів такі діри є практично чорними дірами, що мають практичний горизонт подій.

Тернистий шлях до відкриття

Властивості чорних дір настільки фантастичні, що в існування цих екзотичних об'єктів в реальному світі віриться насилу, і про це вже кілька десятиліть точаться суперечки. Навіть сам Ейнштейн сумнівався в можливості їх існування. У 1939 р він писав: «Основним результатом проведеного дослідження є чітке розуміння того, що в реальному світі відсутні шварцшільдовскім сингулярності». Ідея чорної діри як реального фізичного об'єкта важко пробивала собі дорогу. Незважаючи на появу в тому ж році красивою і переконливою роботи Дж.Оппенгеймера і Х.Снайдера, де на основі ОТО було розглянуто колапс зірки і показана неминучість народження чорної діри при стисненні ядра зірки досить великий маси, сумніви залишалися аж до кінця 1960-х років .

Пошук чорних дір особливо інтригує фізиків, оскільки в останні роки запропоновані нові теорії гравітації, які відкидають існування чорних дір. Рішення спору залишається за астрономічними спостереженнями. Дослідження ведуться в двох напрямках:

• Плануються космічні і наземні експерименти зі спостереження специфічних ефектів поблизу горизонту подій чорної діри для визначення метрики простору-часу: вимірювання за допомогою інтерферометрів, пошук гравітаційних хвиль і т.п. Можна сподіватися, що це дозволить остаточно довести існування чорних дір у Всесвіті.
• Постійно накопичуються дані про маси кандидатів в чорні діри і встановлюються обмеження на їх розміри. Ці дослідження зміцнюють впевненість в реальності чорних дір.

На початку XXI ст. ситуація з дослідженням чорних дір дуже нагадує вивчення зірок на початку XX ст. Тоді природа зірок була неясна: вважалося, що вони світять за рахунок гравітаційного стиснення. Але це не заважало розвиватися зоряної астрономії, проводилася велика робота по спектральної класифікації зірок і були відкриті важливі зв'язки між спектром, світність і масою зірки. Так і з чорними дірами: відкрито багато масивних і компактних об'єктів, властивості яких дуже схожі на очікувані властивості чорних дірок, але остаточно їх природа поки не з'ясована. Однак ніщо не заважає астрономам займатися демографією кандидатів в чорні діри і вивчати їх статистичні властивості.

Спостереження чорних дір

Відомо три типи чорних дір.

По-перше, чорні діри зоряної маси (3-50 М ¤), що утворилися при колапсі ядер масивних зірок в кінці їх еволюції. Якщо маса ядра зірки менше так званого чандрасекаровского межі 1.4 М ¤, то в кінці її еволюції (рис.3) утворюється білий карлик - об'єкт розміром з Землю (~ 10 4 км) і середньою щільністю речовини близько 10 9 кг / м 3. У ньому гравітаційного стиску протидіє тиск виродженого електронного газу. У нашій Галактиці, що складається з 10 11 зірок, близько 10 10 білих карликів, і вони добре вивчені астрономами.

Рис.3. Освіта білого карлика, нейтронної зірки і чорної діри
на пізній стадії еволюції зірок різних мас.

Якщо в кінці еволюції маса ядра зірки лежить в інтервалі 1.4-3 М ¤, то, - як правило, в процесі спалаху наднової, - народжується нейтронна зірка. Її радіус ~ 10 км, а середня щільність речовини близька до щільності атомного ядра. У нейтронної зірки силі гравітації протидіє градієнт тиску виродженого нейтронного речовини. У Галактиці біля 10 8 нейтронних зірок, і про них теж багато чого відомо.

Якщо ж маса ядра зірки перевищує 3 М ¤, то в результаті його колапсу утворюється чорна діра. Радіус типовою зоряної чорної діри масою 10 М ¤ дорівнює 30 км. У Галактиці за останніми оцінками ~ 10 7 зіркових чорних дір, а їх повна маса ~ 10 8 М ¤, або ~ 0.1% від маси баріонів речовини Галактики.

По-друге, надмасивні чорні діри в ядрах галактик з масами 10 6-10 9 М ¤. Останнім часом все більше утверджується точка зору, що практично всі галактики мають в своїх ядрах надмасивні чорні діри.

По-третє, первинні чорні діри, що утворилися в результаті сильних деформацій метрики простору-часу на ранніх стадіях формування Всесвіту. До нашої ери мали дожити лише первинні діри з масою T> 10 12 кг через дії квантового механізму випаровування чорних дір, запропонованого С.Хокінга.

Останнім часом обговорюється питання про чорні діри проміжних мас М = 10 2-10 5 М ¤. Вони можуть знаходитися в околоядерних областях галактик, в областях посиленого зореутворення або в центрах масивних кульових зоряних скупчень, але серйозних даних на користь їх існування поки немає.

З астрономічної точки зору, щоб виявити чорну діру, потрібно: виміряти масу об'єкта; показати, що його радіус не перевищує гравітаційного радіуса для цієї маси; отримати дані про те, що в об'єкта немає спостерігається поверхні, а є лише «практичний» горизонт подій.

Маси чорних дір надійно вимірюються по руху газу і зірок навколо них. У більшості випадків характерні відстані цих «пробних тіл» від чорної діри великі, так що можна використовувати закони Ньютона, і для оцінки маси досить знати швидкість пробного тіла і його відстань від чорної діри. Оскільки всі теорії гравітації, в тому числі і відмінні від ОТО, будуються так, щоб на великих відстанях від тяжіє тіла сила його тяжіння описувалася законом Ньютона, то маси кандидатів в чорні діри вимірюються практично незалежно від конкретної релятивістської теорії гравітації.

Останнім часом з'явилася можливість вимірювати маси одиночних зіркових чорних дір по ефектах гравітаційного мікролінзування. В якості пробного тіла тут виступає промінь світла далекої зірки фону, викривляється в гравітаційному полі чорної діри. Так як і зірка, і чорна діра переміщаються в просторі, спостерігач бачить явище мікролінзування - посилення і подальше ослаблення блиску далекої зірки. Тривалість циклу пропорційна кореню квадратному з маси об'єкта, що виступає в ролі гравітаційної лінзи: наприклад, для М = 6 М ¤ вона становить близько року. За допомогою цього ефекту вже виміряні маси трьох одиночних чорних дір: вони лежать в межах 6-8 М ¤.

Цікаво, що за характером зміни блиску зірки фону можна не тільки виміряти масу об'єкта-лінзи, але і відрізнити чорну діру від «кротові нори» - компактного об'єкта без горизонту подій і сингулярності в центрі. Можливість існування «кротячих нір» (їх ще називають просторово-временн и ми тунелями або мостами Ейнштейна-Розена) передбачена в рамках ОТО. «Кротова нора» повинна складатися не з звичайного баріонів речовини, а з особливою екзотичної матерії, що має негативний тиск і анізотропні властивості. Це може бути фізичний вакуум або магнітне поле. Таким чином, хоча одиночна чорна діра і «Кротова нора» невидимі, їх можна спостерігати і навіть розрізнити по ефектах відхилення світла в їх гравітаційному полі.

Радіуси чорних дір вимірювати дуже важко. Зараз використовуються такі методи: вивчення рентгенівської світності і спектра рентгенівського випромінювання речовини, що падає на чорну діру; аналіз швидких змін світності і профілів спектральних ліній в рентгенівському діапазоні; радіоінтерферометрія з наддовгих базою і т.п. Всі вони дають лише оцінку верхньої межі для радіусів кандидатів в чорні діри: r <(10-100) r g. Однак навіть ці грубі оцінки свідчать про надзвичайну компактності відомих кандидатів в чорні діри.

Найскладніше завдання - отримання наглядових свідчень наявності горизонтів подій у кандидатів в чорні діри. Для цієї мети плануються експерименти за допомогою космічного рентгенівського інтерферометра з кутовим дозволом ~ 10 -7 ўў (американський проект «МАКСИМ»), а також російського космічного радіоінтерферометра з кутовим дозволом до 10 -6 ўў (проект «Радіоастрон»).

Поки астрономи не мають достатніх наглядових доказів існування чорних дір ні для одного з кандидатів. Але всі необхідні критерії, сформульовані на основі ОТО, виконуються для всіх відомих кандидатів в чорні діри, число яких вже перевищує 300.

Найбільші успіхи досягнуті в дослідженні чорних дір зоряних мас і надмасивних чорних дір у ядрах галактик.

Ховаються серед зірок

Уже відкрито близько 20 чорних дір зоряної маси 4-15 М ¤ в рентгенівських подвійних системах, а також три поодинокі чорні діри (по ефектах гравітаційного мікролінзування).

Рентгенівська подвійна система (рис.4) складається з нормальної оптичної зірки - донора речовини, навколо якої обертається релятивістський об'єкт - нейтронна зірка або чорна діра, - що знаходиться в режимі акреції речовини. Вперше на можливість спостерігати чорні діри вказали Я.Б.Зельдович і Е.Солпітер (США) в 1964 р .: вони показали, що при несферіческой акреції речовини на чорну діру може виділятися гігантська енергія, близько 10% від енергії спокою падаючого речовини. Пізніше, в 1972-1973 рр., Н.І.Шакура, Р.А.Сюняев і ін. Розвинули теорію акреції речовини в подвійній системі і передбачили потужний рентгенівське випромінювання при дискової акреції на нейтронну зірку або чорну діру.

У центральній частині аккреционного диска, поблизу релятивистского об'єкта, речовина рухається майже зі швидкістю світла. Взаємне тертя потоків газу призводить до розігріву плазми до температур в десятки і сотні мільйонів градусів. Якщо аккреция йде на швидко обертається нейтронну зірку з сильним магнітним полем (~ 10 12 Гс), то речовина з внутрішніх частин диска направляється цим полем на магнітні полюси зірки, де воно стикається з поверхнею, і там з'являються гарячі рентгенівські плями. Через свого обертання нейтронна зірка стає рентгенівським Пульсаром, демонструючи строго періодичну змінність випромінювання з періодом від декількох до сотень секунд. Якщо ж магнітне поле нейтронної зірки порівняно слабке (<10 8 Гс), то речовина диска досягає поверхні на екваторі зірки і там накопичується. При досягненні критичної маси може статися термоядерний вибух, і тоді утворюється рентгенівський барстерах I типу - виникають короткі (близько секунд) і потужні спалахи рентгенівського випромінювання, такі нерегулярно в часі (рентгенівський барстерах II типу пов'язаний з проявом неустойчивостей в аккреційному диску, його легко відрізнити від барстера I типу).

Таким чином, рентгенівський пульсар або рентгенівський барстерах I типу - явні ознаки наявності у нейтронної зірки спостерігається поверхні. На це ж вказує і феномен радиопульсара - короткі і строго періодичні радіоімпульси, пов'язані з переробкою в спрямоване радіовипромінювання енергії обертання сильно намагніченої нейтронної зірки.

У аккрецируют чорної діри не повинні спостерігатися ознаки рентгенівського пульсара, рентгенівського барстера I типу або радиопульсара, оскільки чорні діри не мають спостерігається поверхні. Від неї можна чекати лише иррегулярной або квазипериодический (але не строго періодичній) змінності на часи аж до rg / c ~ 10 -4 с.

Перший космічний рентгенівський джерело - знаменитий Скорпіон Х-1, подвійна система з нейтронної зіркою, - був відкритий в 1962 р з борта американської ракети «аероби» (земна атмосфера непрозора для рентгенівського випромінювання). Керував експериментом Р.Джіакконі, удостоєний в 2002 р Нобелівської премії. Систематичні дослідження таких об'єктів почалися з запуском в 1971 р американського рентгенівського супутника «UHURU», який відкрив близько сотні рентгенівських подвійних систем [ 3 ]. До теперішнього часу їх відомо вже близько 1000, причому у 20 з них маси рентгенівських джерел перевищують 3 М ¤, що дозволяє вважати їх чорними дірами.

Рентгенівські спостереження із супутників і оптичні наземні спостереження прекрасно доповнюють один одного: наявність потужного рентгенівського випромінювання свідчить про компактності об'єкта, а вивчення руху оптичної зірки-супутника методами наземної астрономії дозволяє вимірювати масу рентгенівського джерела і тим самим ідентифікувати релятивістський об'єкт як чорну діру в разі, якщо ця маса перевищує 3 М ¤. У 1972-1974 рр. в роботах радянських вчених були виконані перші оптичні ототожнення рентгенівських подвійних систем і вивчені всі види їх оптичної змінності [ 4 ]. Це дало можливість розвинути потужні методи визначення мас чорних дір у рентгенівських подвійних системах [ 5 ].

На рис.5 наведена залежність мас нейтронних зірок і чорних дір від мас їх супутників в подвійних системах. Маси радіопульсаров в подвійних системах визначено по релятивістським ефектів в їх орбітальному русі. Видно, що кореляції між масами рентгенівських об'єктів і масами їх супутників немає, тобто тісні подвійні системи з нейтронними зірками і чорними дірами подібні класичним тісним подвійнихсистемам, де зустрічаються будь-які комбінації компонентів.

Мал.5. Залежність мас нейтронних зірок і чорних дір (M x) від мас їх оптичних супутників (M v) в подвійних системах.Релятивістські об'єкти розподілилися вище і нижче лінії 3 M ¤: n - чорні діри в рентгенівських нових, r - чорні діри в квазістаціонарних рентгенівських подвійних системах з оптичними супутниками - масивними гарячими зірками, l - радіопульсари, Ў - рентгенівські пульсари, Р - рентгенівський барстерах I типу.У повній згоді з ОТО, маси 19 нейтронних зірок не перевищують теоретичного верхньої межі маси 3 М ¤.

Накопичення відомостей про маси релятивістських об'єктів зміцнює нашу впевненість в реальному існуванні чорних дір. У всіх випадках, коли вдається виміряти масу релятивистского об'єкта, що має явні ознаки спостерігається поверхні (радіопульсар, рентгенівський пульсар, рентгенівський барстерах I типу), вона не перевищує 3 М ¤ - абсолютного верхньої межі маси нейтронної зірки, передбаченого ОТО. У той же час, ні у одного (!) З 20 масивних компактних рентгенівських джерел - кандидатів в чорні діри - не помічено жодного з перерахованих ознак спостерігається поверхні, також в повній згоді з ОТО. Правда, у деяких нейтронних зірок феномени радиопульсара, рентгенівського пульсара або рентгенівського барстера I типу можуть не спостерігатися (наприклад, через слабкість магнітного поля, його «невдалої» орієнтації щодо спостерігача, сильного темпу акреції і т.п.). Очевидно, відсутність будь-яких ознак недостатньо для доказу природи об'єкта, необхідний пошук специфічних ефектів.

У ряді рентгенівських подвійних систем з чорними дірами виявлені сильно спрямовані (коллімірованним) викиди речовини - джети (від англ. Jet - викид). Швидкості руху речовини в джетах досягають 0.95 c. Такі рентгенівські подвійні системи з джетами прийнято називати мікроквазарів, оскільки у далеких космологічних об'єктів - квазарів (дуже активних ядер галактик) - також спостерігаються релятивістські джети, походження яких, мабуть, пов'язано з аккрецией речовини на сверхмассивную чорну діру.

Цікаві дані в останні роки отримані про обертання зіркових чорних дір. Аккреційному диски, що обертаються в ту ж сторону, що і центральна обертається чорна діра, проникають набагато ближче до її центру, ніж в разі невращающейся, шварцшільдовскім чорної діри, оскільки радіус горизонту подій rh для обертається чорної діри менше її гравітаційного радіуса rg (для гранично обертається керровской чорної діри rh = 0.5 rg). Тому виділення гравітаційної енергії, а отже, світність і температура теплового компонента рентгенівського випромінювання при акреції речовини на обертову чорну діру повинні бути вище в порівнянні з невращающейся. Це дійсно спостерігається, наприклад, у двох рентгенівських подвійних систем - мікроквазарів GRS 1915 + 105 і GRO J1655-40, які, швидше за все, містять швидко обертаються чорні діри. Як бачимо, астрономам вдається не тільки оцінювати маси і радіуси кандидатів в чорні діри, а й отримувати інформацію про їх обертанні (!).

А як корелює розподіл мас релятивістських об'єктів з розподілом мас їх потенційних виробників? Роль останніх теорія еволюції відводить в першу чергу зірок Вольфа-Райе (з масами 5-50 M ¤) в кінці їх життєвого шляху [ 6 ]. Зірки Вольфа-Райе характеризуються наявністю в їх спектрах потужних і широких ліній випромінювання гелію, азоту, вуглецю і кисню в різних стадіях іонізації. За сучасними уявленнями, зірки Вольфа-Райе першого типу населення Галактики (тобто концентруються поблизу галактичної площини) є оголеними гарячими гелієвими ядрами спочатку масивних зірок (M> 30 M ¤), які втратили основну частину своїх водневих оболонок або внаслідок перетікання речовини в тісних подвійних системах, або в результаті інтенсивної втрати маси у вигляді зоряного вітру. Такі зірки повинні в кінці своєї еволюції вибухати як наднові типу I b / с (в їх спектрах не спостерігається ліній водню, а присутні лише лінії гелію I b і вуглецю I с) і формувати в результаті колапсу своїх вуглецево-кисневих ядер нейтронні зірки або чорні діри. А як раз в зірку Вольфа-Райе, згідно з більшістю еволюційних сценаріїв для тісних подвійних систем, що містять масивну зірку, ця масивна зірка і перетворюється, швидко втрачаючи свою водневу оболонку під впливом приливної дії з боку супутника.

На рис.6 наведені розподілу мас релятивістських об'єктів і мас предсверхновой - виробників релятивістських об'єктів - СО-ядер зірок Вольфа-Райе в кінці їх еволюції. Видно, що розподіл мас релятивістських об'єктів в подвійних системах не безупинно, а має провал в інтервалі мас 2-4 М ¤ і є бімодальному. Маси 19 нейтронних зірок лежать у вузьких межах 1-2 М ¤, середнє значення маси нейтронної зірки одно 1.35 ± 0.15 М ¤. Виміряні маси 20 чорних дір лежать в межах 4-15 М ¤ при середньому значенні маси чорної діри 7 ± 1 М ¤. В інтервалі мас 2-4 М ¤ не виявлено ні нейтронних зірок, ні чорних дір, хоча ОТО не забороняє існування нейтронних зірок з масами аж до 3 М ¤. Підкреслимо, що число релятивістських об'єктів з вимірюваними масами дуже велике - близько 40. У той же час розподіл мас СО-ядер зірок Вольфа-Райе безперервно в діапазоні мас 2-15 М ¤. Таким чином, з якоїсь глибокої причини в природі не народжуються (або аномально рідко народжуються) дуже масивні (M> 2 M ¤) нейтронні зірки і маломасивні (M ¤) чорні діри. Якщо ця закономірність підтвердиться подальшими даними спостережень за релятивістським об'єктів, то вона вимагатиме серйозної інтерпретації. Нещодавно було виявлено, що спалахи наднових типу I b / с, які супроводжують колапси СО-ядер зірок Вольфа-Райе, розподілені по светімостям в максимумі також бімодальне: два класи наднових типу I b / с (нормальні і яскраві наднові) розрізняються по світності в максимумі на порядок величини.

В останні роки все більше утверджується точка зору про те, що колапси СО-ядер швидко обертаються зірок, пов'язані з утворенням гранично швидко обертаються керровской чорних дір в різних галактиках, можуть бути джерелами знаменитих і поки загадкових гамма-сплесків, при яких за час в декілька секунд виділяється гігантська енергія в гамма-діапазоні ~ 10 46 Дж [ 7 ].

У самих надрах галактик

До теперішнього часу під підозрою понад 300 надмасивних чорних дір у ядрах як активних, так і «спокійних» галактик (рис.7). Їх маси лежать в інтервалі 10 6-10 9 М ¤. Ці маси виміряні по руху зірок, газових хмар або газових дисків навколо чорних дір з використанням закону тяжіння Ньютона. Рух газових хмар або дисків можна реєструвати безпосередньо, використовуючи високу кутовий дозвіл космічного телескопа «Хаббл» (рис.8) або 8-10-метрових наземних оптичних телескопів нового покоління. Рух газу можна вивчати і опосередковано, спостерігаючи змінність профілів ліній випромінювання в спектрах ядер активних галактик і вимірюючи час запізнювання змінності ліній щодо змінності безперервного спектра, що дозволяє оцінити відстані газових хмар від центральної чорної діри. Вперше цей ефект запізнювання був виявлений В.М.Лютим і А.М.Черепащуком в 1972 р

Для ряду надмасивних чорних дір отримані спостережні обмеження на їх розмір і показано, що він не перевищує декількох гравітаційних радіусів.

Особливо цікаві і надійні дані отримані при дослідженні надмасивної чорної діри в центрі нашої Галактики. Групами німецьких і американських вчених за спостереженнями в інфрачервоному діапазоні з застосуванням методів компенсації атмосферних спотворень побудована видима орбіта зірки S2, що обертається довкола центральної надмасивної чорної діри. Період обертання цієї зірки дорівнює 15.2 року (рис.9). Виходячи з розміру орбіти і періоду звернення надійно оцінюється маса чорної діри в центрі Галактики - близько 4 · 10 6 М ¤.

Радіоінтерферометричні спостереження з наддовгих базою на хвилі 3.5 мм (рис.10), виконані китайськими вченими в 2005 р [ 8 ], Показали, що радіус випромінюючої області навколо чорної діри в центрі Галактики становить 1 а.о., тобто всього близько 13 гравітаційних радіусів (rg = 17 R ¤ для M = 4 · 10 6 M ¤). Розмір цього компактного радіоджерела збільшується з довжиною хвилі внаслідок розсіювання радіовипромінювання. Тому подальші спостереження на більш коротких хвилях, ймовірно, дозволять побачити найближчі околиці горизонту подій чорної діри в центрі Галактики. Це дасть можливість безпосередньо спостерігати ефекти сильного гравітаційного викривлення електромагнітних променів в поле тяжіння чорної діри, що призводять до появи «тіні» в розподілі радіояркості поблизу горизонту подій, що прямо довело б: компактний об'єкт в центрі нашої Галактики - чорна діра в сенсі ОТО.

Оцінки щільності речовини в виміряної області навколо центральної чорної діри дають величину 6.5 х 10 21 М ¤ / пк 3 - на 16 порядків вище щільності зірок у найбільш щільних зоряних скупченнях. Якби компактний об'єкт в центрі Галактики був не чорною дірою, а скупченням окремих темних тел (старих білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір зоряної маси), то при настільки жахливої ​​щільності це скупчення через колективних взаємодій розсіялася б менш ніж за 100 років . Тому масивний (М = 4 · 10 6 М ¤) і компактний (r <12.6 rg) об'єкт в центрі Галактики повинен бути єдиним тілом, швидше за все, чорною дірою.

За даними про більш ніж 300 надмасивних чорних дірах вже можна зробити деякі висновки про їх демографії. Ось найважливіші з них.

Виявлено залежність між масою центральної надмасивної чорної діри і масою балджа галактики (рис.11). Балдж - це сферичне згущення маломасивних (М <1 М ¤) зірок навколо ядра галактики. Вік зірок балджа порядку віку Всесвіту (~ 10 10 років). Виявилося, що маса центральної чорної діри зростає з масою балджа галактики лінійно, при цьому маса чорної діри становить близько 0.1% від маси галактичного балджа. Наявність подібної кореляції ставить серйозні обмеження на механізми утворення надмасивних чорних дір. Зокрема, видається цілком вірогідною модель зростання надмасивної чорної діри в результаті злиття менш масивних об'єктів і акреції речовини в ієрархічних моделях формування галактики, коли галактика утворюється шляхом об'єднання кількох менших галактик.

Мал.11. Абсолютна зоряна величина балджа МR галактики, пропорційна логарифму його маси, як функція логарифма маси надмасивної чорної діри М в її центрі.Позначення: Ѓ - нормальні галактики, n - сейфертовськи галактики I типу, Ў - квазари.

З світність галактичного диска, яка обумовлена ​​в основному молодими зірками, котрі народилися менше мільярда років назад, маса центральної чорної діри не корелює. Для ядер активних галактик знайдено залежність між масою центральної чорної діри і світність ядра галактики в оптичному діапазоні. У той же час для ядер «спокійних» галактик (які складають 99% від загального числа галактик) подібна кореляція не спостерігається.

Виявлено кореляцію між максимальною швидкістю обертання галактики (що характеризує її повну масу) і масою центральної чорної діри. Звідси випливає, що маса чорної діри зростає з масою гало галактики, що складається з темної матерії [ 9 ]. Чи означає це, що за формування центральної чорної діри відповідальна загадкова темна матерія?

В останні роки відкрито понад десяток квазарів (аккрецируют надмасивних чорних дір у ядрах галактик) з дуже великим червоним зміщенням (z> 6), що відповідає віку менш 1 млрд років. Їх маси складають близько 10 8 М ¤, і поки важко пояснити, як надмасивні чорні дірок вдалося сформуватися за таке порівняно короткий час.

* * *

Отже, чорні діри, як зоряної маси, так і надмасивні, до теперішнього часу вже міцно завоювали «права громадянства». Але для остаточного вирішення питання про природу численних кандидатів в чорні діри потрібні спеціальні «критичні» експерименти. Можна сподіватися, що в найближчі десятиліття буде безповоротно доведено існування чорних дір у Всесвіті. Це призведе до прориву в розумінні природи простору-часу і сутності гравітації.

література

1. Чандрасекар С. Математична теорія чорних дір. М., 1986.

2. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Всесвіт, життя, чорні діри. Фрязіно, 2003.

3. Шапіро С., Тьюколскі С. Чорні діри, білі карлики і нейтронні зірки. М., 1985.

4. Черепащук А.М. // Успіхи фіз. наук. 2003. Т.173. №4. С.345-382 .

5. Постнов К.А., Черепащук А.М. // Астрономічний журнал. 2003. Т.80. С.1075-1085.

6. Черепащук А.М. // Успіхи фіз. наук. 2002. Т.172. №8. С.959-963 .

7. тутук А.В., Черепащук А.М. // Астрономічний журнал. 2003. Т.80. C.419-435.

8. Zhi-Qiang Chen, Lo KY, Liang M. -C. // Nature. 2005. V.438. P.62-65.

9. Засов А.В., Петроченко Л.Н., Черепащук А.М. // Астрономічний журнал. 2005. Т.82. С.407-413.