Страница 70 из 131
Более конкретная идея связала поиск черных дыр с тесными двойными системами, когда дыра способна как бы отсасывать часть атмосферы своего яркого соседа. Струя газа, устремляясь к черной дыре, окружает ее облаком, которое постепенно оседает. Это явление называется аккрецией. Аккрецирующий газ разогревается, особенно во внутренних частях облака, так как заметная доля его потенциальной энергии переходит в тепловую. Из-за этого начинается излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.
Наблюдения рентгеновских источников начались после запуска спутника "Ухуру" и аналогичных аппаратов, снабженных специальными регистрирующими устройствами. Были обнаружены сотни таких источников. 18 из них отождествлены с рентгеновскими пульсарами, большинство же остальных представляют собой объекты, не похожие на пульсары или черные дыры.
Различить пульсар и черную дыру можно, лишь оценив массу. У первого она не должна превышать 3М( (самые оптимистические оценки - до 8М(), иначе неизбежен
коллапс и переход в состояние черной дыры.
Благодаря этому обстоятельству и состоялось экспериментальное открытие черных дыр. Рентгеновский источник в созвездии Лебедя (Cyg X-I) связан с яркой звездой-сверхгигантом. Период яркой звезды 5.6 дня, а масса - порядка 20 М(. Удалось
оценить и массу темной компоненты - она заключена в пределах 8-11 М(. Кроме того,
наблюдалась хаотическая изменчивость рентгеновского потока с характерным временем порядка одной тысячной секунды, что как раз соответствует периоду обращения газового облака на расстояниях, где, согласно теории, должно иметь место максимальное энерговыделение.
Все это дает основания с большой долей уверенности говорить о регистрации черной дыры. Аналогичные объекты найдены в созвездиях Скорпиона (V 861 SCO источник ОАО 1653-40) и Циркуля (Cir X-I).
Другое менее надежное указание получено в связи с исследованием 14 импульсных рентгеновских источников с резким, в течение секунд, изменением спектра. Некоторые из них (MX 0513-40, 3 U 1820-30 и А 1850-08) надежно соотнесены с шаровыми скоплениями (NGC-1851, NGC-6625, NGC-6712, соответственно). В этом случае довольно правдоподобно, что в центре каждого из шаровых скоплений находится очень массивная черная дыра (М(). Однако пока такое объяснение остается не более чем
интересной гипотезой, мы еще не достаточно ясно представляем себе законы коллективной эволюции звезд в плотных скоплениях, а также механизм формирования суперзвезд в сотни раз массивней Солнца на космогонической стадии. Есть также указания на присутствие черной дыры с М ~ 4 106 М( в центре нашей Галактики, а в
центре галактики М 87 - даже с М ~ 5 109 М(!
Если же говорить о надеждах, то черные дыры представляются чем-то очень широко распространенным во Вселенной. По идее, они должны встречаться часто и на весьма различных уровнях. В этом плане особо подозрительны ядра галактик и центры шаровых скоплений - места, где в условиях высокой концентрации вещества "сам Бог велел" создаваться сильным гравитационным полям и суперзвездам грандиозного масштаба.
В связи с этим обратим внимание вот на какие обстоятельства. Почему Лапласу пришлось изобретать монстр в 60 миллионов солнечных масс? Ответ прост. В его время представления о структуре вещества были развиты слабо, и он вряд ли мог представить себе космические объекты с плотностью атомного ядра - то, чем свободно оперировали теоретики 30-х годов 20 века, современники становления ядерной физики. Тем не менее, вплоть до открытия белых карликов и пульсаров в реальное существование сверхплотных звезд верили не слишком охотно.
Что же касается черных дыр - сейчас их высокой плотностью трудно кого-нибудь удивить. Само образование черных дыр с массой порядка 10М( как возможной
конечной стадии звездной эволюции теперь тоже не представляется чем-то из ряда вон выходящим.
Весьма вероятно, что ближайшие годы принесут окончательное открытие сверхмассивных дыр с относительно небольшой плотностью и массами от нескольких сот до миллиардов М(, и лапласовские монстры станут чем-то привычным. Это откроет
путь к решению проблемы коллективной эволюции звездных скоплений самого разного масштаба. Действительно, трудно поверить, что в плотных шаровых скоплениях и тем более в галактических ядрах каждая звезда могла бы рождаться и умирать совершенно индивидуально, никак не связываясь с судьбой ассоциации. Именно эта связь и должна во многих случаях приводить к появлению разномасштабных черных дыр с огромными массами. Один из важных гипотетических вариантов такого рода - присутствие гигантских черных дыр в ядрах квазаров, что пока дает едва ли не единственный путь к объяснению их фантастической светимости.
Казалось бы, все в порядке, остается только активно вести расширение круга наблюдений по более или менее ясной схеме.
Но тут-то как раз произошло интереснейшее уточнение самой схемы, если можно так выразиться, состоялось третье теоретическое рождение черных дыр.
В 1974 году английский теоретик С. Хокинг опубликовал в журнале "Nature" ("Природа") небольшую заметку с интригующим вопросом в заголовке "Взрывы черных дыр?". Это положило начало, пожалуй, самому впечатляющему астрофизическому буму 70-х годов.
Идея Хокинга была довольно проста. Как бы ни самоизолировалась черная дыра, она всегда связана с вакуумом элементарных частиц. Процессы вблизи ее поверхности идут с характерным временем tg ~ Rg/c = 2GM/c3, и они вызывают рождение частиц с энергией E ~ h?g ~ h/ tg - характерная собственная частота черной дыры как бы резонирует с частотами вакуума, вышибая из него реальные частицы. Более наглядно можно пояснить ситуацию так: черная дыра способна удержать объекты с размером l "Rg, но не излучение с длинами волн ? ( Rg, которое как бы выдавливается из черной дыры в силу соотношения неопределенностей*.
* Соотношение неопределенностей ?р.?x ( h показывает, что объект с импульсом р = h?/c нельзя локализовать в области с размером меньшим h/р ~ c/?~ ? . Излучение с длиной волны ? не локализуется в области с размером меньше ?.
Отсюда следовало, что черная дыра вовсе не мертва. С точки зрения квантовой теории, она должна излучать во внешнее пространство радиоволны, свет и даже тяжелые элементарные частицы - все, что допустимо ее размерами и энергетическими возможностями. Излучая, черная дыра разогревается, теряет массу, и конечная стадия ее испарения должна выглядеть как взрыв. Законы эволюции черной дыры, следующие из хокинговской модели, очень наглядно записываются с использованием планковских масштабов (М - масса черной дыры):
Светимость: L ~ LP (mР/M)2
Температура: Т ~ TP (mР/M)
Плотность: ( ~ (P (mР/M)2
Время жизни: ? ~ M/L ~ tP (mР/M)3 ? 3.1017 (M (г)/1015)3 с
Отсюда хорошо видно, что эффект хокинговского излучения несущественен для обычных черных дыр типа Лебедя X-I, чья температура порядка 108 К, а время испарения сильно превышает возраст Вселенной (? ~ 1074 с!). Тем более, практически незаметна квантовая эволюция гипотетических дыр-гигантов.
Забавные дырочки размером около 1 миллиметра, но с довольно солидной массой (М ~1027 г) и колоссальной плотностью (( ~ 2,5.1030 г/см3) могли бы имитировать наблюдаемый фон теплового излучения с температурой в несколько градусов Кельвина. Однако чтобы вытеснить модель космологического реликтового излучения, следовало бы предположить, что малютки существуют в изобилии и распределены в пространстве крайне равномерно по всем направлениям. Неясно также их происхождение.
Наибольший интерес с самого начала вызвали, конечно, черные дыры с массами М~1015 г. Ведь они способны полностью испариться за известный космологический период, и в современную эпоху какая-то их часть должна взрываться, выбрасывая чрезвычайно жесткое излучение.
В связи с такими мини-дырами возродился интерес к идее советских астрофизиков Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые еще в 1967 году предсказывали, что наряду с черными дырами, возникающими космогоническим путем, то есть за счет эволюции звезд, могут существовать и так называемые первичные дыры, образующиеся на ранних стадиях космологической эволюции.