Александр Петров - Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Рис. 8.4. Перетекание вещества с обычной звезды на чёрную дыру

В наше время большинство астрофизиков и космологов убеждены в существовании сверхмассивных чёрных дыр, содержащих от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс и расположенных в центрах большинства галактик, включая нашу — Млечный Путь. Их гравитационный радиус находится в пределах от сотен тысяч до миллиардов километров, т. е. от сотых долей астрономической единицы (а. е. = 150 млн км — среднее расстояние от Земли до Солнца) до 100 а. е. Причина этой убеждённости в том, что современная техника позволяет производить чрезвычайно точные наблюдения вблизи центра нашей и других галактик, различать и определять параметры орбит звёзд, движущихся вблизи центра. А эти наблюдения в рамках ОТО дают однозначный ответ. Мало того, на фоне орбит близких звёзд, буквально разрешается тёмный диск чёрной дыры в центре нашей галактики. Эти чёрные дыры представляют наиболее вероятную модель активных ядер галактик, которые образуются при слиянии малых чёрных дыр и (или) при аккреции газа и вещества окружающих звёзд. Сверхмассивные чёрные дыры являются и самыми подходящими кандидатами для центров квазаров, объектов чрезвычайно удалённых от нас, а следовательно, очень старых (ранних), из которых и могли позднее (ближе к современной эпохе) образоваться галактики.

На чем основан вывод, что в центрах галактик — чёрные дыры? Прежде всего, на анализе динамики близких звёзд — их класс, а соответственно, и масса известны. Параметры орбит известны благодаря современным телескопам. Чем ближе к центру, тем больше скорости звёзд, подобно тому как в Солнечной системе близкие планеты имеют большую скорость, чем дальние. Но там скорости звёзд достигают десятков тысяч км/с! Этих данных достаточно, чтобы вычислить массу центрального тела. В нашей Галактике центр расположен в созвездии Стрельца. В настоящее время в его окрестности изучается движение десятков звёзд. По современным оценкам масса центрально тела от 3 до 4 млн солнечных масс. Фиксируется излучающий источник, называемый Стрелец А*, причём по всем параметрам его излучение вызвано аккрецией газа на центральный объект, радиус которого (излучающей области) не более 45 а. е. Есть и непосредственные данные, подтверждающие компактность центрального объекта — это размеры орбиты одной из самых близких звёзд S2. А при массе в несколько миллионов солнечных масс и таких малых размерах этот центральный объект может быть только чёрной дырой.

Среди других галактик с объектами–кандидатами в сверхмассивные чёрные дыры наиболее тщательно изучены галактика Андромеды, галактика М32, эллиптические галактики М87, NGC3115, NGC3377, NGC4258 и галактика М104 (Сомбреро).

Сейчас с увеличением точности и надёжности наблюдений производят переоценки масс сверхмассивных чёрных дыр — как оказалось, они могут быть значительно недооценены. Например, для того, чтобы в галактике М87 (расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) звезды двигались так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, что значительно превышает предыдущие оценки.

Обсудим более детально вопрос о существовании чёрных дыр. Проблема во многом связана с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой наблюдениями, является ОТО. Но, строго говоря, эта теория не проверена для условий в непосредственной близости от чёрной дыры. С другой стороны, попытки описать сверхплотные и свехкомпактные объекты в центрах галактик не так, как это предлагает ОТО, приводят к экзотическим моделям, которые вызывают больше вопросов, чем дают ответов.

Чёрные дыры промежуточных масс определяются массами от сотен до тысяч солнечных масс, а их гравитационные радиусы могут быть от сотен до тысяч километров. Нижней границей считается масса порядка 200 М ☉, как предел для отдельной звезды, Они предлагаются как возможные источники энергии сверхъярких источников рентгеновского излучения. В качестве механизма формирования таких чёрных дыр рассматриваются, прежде всего, ассоциации молодых звёзд и, возможно, ядра шаровых скоплений В 2002 году космический телескоп «Хаббл» производил наблюдения, показавшие вероятность существования в шаровых скоплениях М15 (в созвездии Пегаса) и Mayаll II (в галактике Андромеды) именно среднемассивных чёрных дыр. Такая интерпретация точно так же основывается на размерах и периодах орбит звёзд в данных шаровых скоплениях. Однако в этом случае нет той уверенности, как в существовании сверхмассивных чёрных дыр. Оказывается, что вместо чёрных дыр в центрах шаровых скоплений вполне могут быть и группы нейтронных звёзд, давая тот же результат наблюдений. В нашей Галактике среднемассивная чёрная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс, возможно, находится внутри группы из семи массивных звёзд на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*.

Наконец, кратко обсудим чёрные микродыры, их массы много меньше звёздных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми чёрными дырами, поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация чёрных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и её флуктуации были чрезвычайно велики. Такие чёрные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими Упомянув о чёрных микродырах, нельзя не сказать несколько слов об излучении, теоретически предсказанном Стивеном Хокингом, известным английским теоретиком. Это излучение, правда, имеет больше отношения к квантовой теории поля и термодинамике, чем к чисто гравитационным явлениям, но прямо связано с чёрными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Гравитационное поле рядом с горизонтом увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие), Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другой появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь чёрной дыры (см. рис. 8.5). В итоге чёрная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по- прежнему обладает свойствами клапана.