Александр Викторович Волков - 100 великих загадок астрономии

Итак, черные дыры средних размеров не возникают мгновенно, при коллапсе какой-либо звезды. Они разрастаются постепенно. Точно так же формировались галактики – по иерархическому принципу. Звездные скопления объединялись, образовывали карликовые галактики. При их слиянии возникали спиральные галактики; наконец, формировались громадные эллиптические галактики. Одновременно соединялись и увеличивались в размерах черные дыры, располагавшиеся внутри этих скоплений и галактик. Это объясняет, например, почему масса громадных черных дыр пропорциональна светимости их родных галактик. Если эта теория верна, то не удивительно, что в современной Вселенной так редко встречаются черные дыры средних размеров. Большинство из них давно поглощено их громадными наследницами. Однако в молодых галактиках, по-видимому, продолжается формирование черных дыр-средневесов.

Обнаружить их можно так же, как и другие черные дыры, – по особенностям движения звезд и газопылевых облаков, их окружающих. Динамика звезд – надежный индикатор их присутствия. Впрочем, на больших расстояниях, – а молодые галактики, как правило, находятся очень далеко от Земли, – за ними трудно вести наблюдение. Поэтому астрономы уделяют большое внимание мощным рентгеновским вспышкам, которые выдают присутствие черных дыр. Мощность этих необычайно ярких вспышек составляет порядка 10 32ватт в секунду.

Первые ультрамощные рентгеновские вспышки были зафиксированы в 1980-е годы обсерваторией «Эйнштейн», выведенной на околоземную орбиту в 1978 году. Впоследствии другие рентгеновские обсерватории – ROSAT, RXTE, «Ньютон» и особенно «Чандра» – обнаружили сотни подобных объектов.

В большинстве галактик, как и в нашем Млечном Пути, подобные источники излучения не обнаружены; в других, как правило, отмечено лишь по одному такому источнику. Чаще всего их регистрируют в тех галактиках, где продолжаются процессы бурного звездообразования, или в галактиках, которые испытывают силу притяжения расположенной поблизости огромной галактики.

Согласно опубликованному недавно перечню, включающему 475 кандидатов в ультрамощные рентгеновские источники, 307 из них обнаружены в 142 спиральных галактиках, а 168 – в 98 эллиптических галактиках, хотя последние встречаются вдвое чаще спиральных. Это опять же указывает на связь между ультрамощными источниками и процессами образования звезд, поскольку в эллиптических галактиках звезды зарождаются реже. (Разумеется, не все эти источники являются черными дырами средних размеров. В некоторых случаях речь идет, например, о недавно вспыхнувших сверхновых звездах.)

В карликовых галактиках тоже можно обнаружить черные дыры средних размеров. Это делает «карликов» точными копиями больших галактик и лишний раз свидетельствует о том, что последние, вероятно, образовались за счет их слияния и поглощения. Так, наблюдая за движениями звезд в эллиптической карликовой галактике POX 52, расположенной на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли, Аарон Барт из Калифорнийского технологического института убедился, что там прячется черная дыра, которая весит в 160 тысяч раз больше, чем Солнце. Похожую черную дыру – только немного поменьше (70 тысяч солнечных масс) – телескоп «Хаббл» обнаружил и в проявляющей активность карликовой галактике SDSS J160531.84 + 174826.1.

В последнее время много говорится о том, что подобная черная дыра есть и в нашей Галактике. В 2004 году Брэд Хансен из Калифорнийского университета и Милош Милосавлевич из Калифорнийского технологического института предположили, что среди звездного скопления GCIRS 13E, расположенного на расстоянии трех световых лет от галактического центра, скрывается небольшая черная дыра (1300 солнечных масс). Как полагают астрономы, уже в этом десятилетии, анализируя движение звезд в центральной части Галактики, можно будет доказать или опровергнуть эту гипотезу. Вполне может быть, что черные дыры средних размеров никуда не исчезли из нашей Галактики, а продолжают пополнять «закрома» той громадной черной дыры, что притаилась посредине Млечного Пути.

С точки зрения общей теории относительности, срок жизни, отпущенный черным дырам, бесконечно велик. Так считали много лет, пока британский физик Стивен Хокинг не исследовал их по законам квантовой механики (законы эти действуют в мире элементарных частиц). До тех пор не удавалось свести воедино общую теорию относительности и квантовую механику. И все же Хокинг попытался это сделать и столкнулся с поразительным эффектом. Он обнародовал свои выводы в 1975 году; попробуем о них рассказать.

Для физика вакуум – это нечто иное, чем пустота, чем ничто. В вакууме беспрерывно рождаются и гибнут элементарные частицы. Их называют виртуальными, поскольку они существуют лишь краткие мгновения. Виртуальные частицы всегда возникают попарно. Когда подобная пара частиц образуется в непосредственной близости от черной дыры, на границе горизонта событий, то под действием гравитации уже через 10—2 4секунды эта пара распадается. Одна из частиц исчезает в недрах черной дыры, а другая успевает ускользнуть. Получая энергию извне, эта частица из виртуальной становится реальной. Удаляясь от черной дыры, она только увеличивает свою энергию. Поток подобных частиц и называется «излучением Хокинга»; он позволяет обнаружить присутствие поблизости черной дыры. Первой же частице следует соответственно приписать отрицательную энергию. В таком случае, по знаменитому закону Эйнштейна (E = mc 2), с ее появлением внутри черной дыры та не только теряет некоторое количество энергии, но и ее масса уменьшается на величину, исчисленную по этой формуле. Со стороны это выглядит так, словно черная дыра «испаряется», постепенно уменьшаясь в размерах. Гигантские черные дыры испускают в основном такие частицы, как фотоны и нейтрино. В спектре небольших черных дыр присутствуют и тяжелые частицы.

Излучение Хокинга позволяет обнаружить присутствие черной дыры

Итак, черные дыры тоже убывают в размерах. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, например, черную дыру, что весит в три раза (всего в три раза!) больше нашего Солнца. Пройдет 10 67лет, прежде чем она испарится почти полностью. Что означает этот промежуток времени? Он примерно в 10 57раз превышает теперешний возраст Вселенной.

На месте черной дыры может остаться лишь крохотный, но стабильный сгусток размером порядка 10 —33сантиметра, что соответствует известной константе – так называемой длине Планка. Возможно, подобные «сгустки» – реликты бывших черных дыр – образуют новый, не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали им многочисленные имена: «максимоны», «планкеоны», «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского cornucopia, «рог изобилия»).