Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

После испытания Советским Союзом сверхмощной «Царь-бомбы», проведенного в 1961 году, Соединенные Штаты запустили спутники для обнаружения рентгеновского излучения от советских водородных бомб. Эти спутники стали получать удивительные сигналы, например, они зафиксировали интенсивное рентгеновское излучение, вероятно, от источника, находящегося за пределами нашей галактики.

2 декабря 1970 года НАСА запустило SAS-1 (первый из трех малых астрономических спутников) со стартового комплекса Сан-Марко в Кении для наблюдения этих рентгеновских лучей. Спутник был назван «Ухуру», то есть «Свобода» на суахили. Спутник был нацелен на источник рентгеновских лучей Лебедь Х-1. «Ухуру» мог изучать этот источник всего лишь в течение двух минут, зато экипаж «Аполлона-15» — в течение целого часа.

Лебедь Х-1 привлек внимание ученых прежде всего чрезвычайной изменчивостью рентгеновского излучения. Некоторые вспышки продолжались по нескольку месяцев, другие составляли тысячные доли секунды. Быстрые перемены указывали на очень небольшие размеры источника. Оказалось, что рентгеновские лучи действительно выходили из компактного объекта размером не более 3 тысяч километров в поперечнике — менее четверти диаметра Земли.

Но как такой крошечный объект мог быть столь мощным источником излучения?

Методом сравнения с другими голубыми сверхгигантами астрофизики подсчитали, что HDE 226868 тяжелее Солнца почти в 30 раз. Так как Лебедь Х-1 был его звездой-компаньоном, то с учетом формы орбиты и массы HDE 226868 астрономы сделали вывод, что этот объект по крайней мере в 7 раз тяжелее Солнца. Но тогда Лебедь X-1 оказывался слишком большим, чтобы быть белым карликом (максимальная масса 1,4 массы Солнца) или нейтронной звездой (максимальная масса две-три массы Солнца). Как же астрофизики заволновались, поняв, что у объекта Лебедь X-1 есть практически все необходимые характеристики черной дыры! Сегодня большинство ученых согласно с тем, что Лебедь X-1 действительно является черной дырой, безжалостно пожирающей своего компаньона. «Пасть» черной дыры, то есть ее горизонт событий, составляет всего лишь 42 километра в диаметре. Где-то глубоко внутри нее находится коллапсирующая звезда. Вещество, которое черная дыра высасывает из своего компаньона, голубого сверхгиганта, образует «аккреционный диск» — широкий плоский диск вещества, он вращается вокруг дыры, как огромный компакт-диск CD-плеера. Рентгеновские лучи исходят не от черной дыры — излучение не может выйти оттуда, а от газа в аккреционном диске. Внутренние части диска вращаются быстрее, чем наружные, трутся о своих медленных соседей, нагреваются от трения и испускают рентгеновские лучи. Материя аккреционного диска постоянно засасывается в черную дыру, как вода в канализацию. Наблюдаемое рентгеновское излучение показывает, что оно исходит от аккреционного газового диска диаметром около 6,4 миллиона километров. Излучающая рентгеновские лучи горячая часть диска — примерно 480 километров в диаметре. Сегодня мы принимаем все это как должное. Но несколько десятилетий назад ученые даже представить себе не могли, что звезда способна исчезнуть, превратившись в черную дыру.

Чандра понимал, что ему будет нелегко сделать что-то значительное в физике черных дыр. В этой области науки работало множество ярких, талантливых и молодых ученых, а кроме того, он занялся черными дырами лишь в 1975 году, когда казалось, что самые интересные открытия тут уже сделаны, и оставалось только уточнять и систематизировать детали. Однако Чандре именно это и было больше всего по нраву. Вместо жонглирования числами он будет заниматься только математическими символами, как Дирак.

Чандра начал с прямого и простого вывода метрики Керра, и это ему прекрасно удалось, хотя, по мнению экспертов и самого Керра, его вывод был невозможен без чудовищно сложных вычислений. Затем следовало проанализировать, что может случиться с вращающейся черной дырой, когда она подвергается воздействию электромагнитных или гравитационных волн, и каким образом черная дыра влияет на движущиеся рядом с ней частицы. Ученые обычно продвигаются в своих исследованиях от частного к общему, но Чандра решил сразу взять быка за рога. Он считал, что именно так подходил Бете к решению физических проблем.

В 1980 году дальнейшее развитие модели Керра и новые данные о наблюдении квазаров наконец-то позволили астрофизикам прийти к единому описанию всех источников радиоволн, от слабых радиогалактик до квазаров. Это было потрясающее бракосочетание общей теории относительности с теоретической и наблюдательной астрофизикой. Итак, квазар получает энергию от сверхмассивной вращающейся черной дыры, сопровождаемой вращающимся аккреционным диском. (Черная дыра, дающая энергию квазару 3С 273, имеет колоссальную массу в миллиарды раз больше массы Солнца.) При вращении диска газы, составляющие его, сжимаются. Наряду с трением частиц газа это создает невообразимо высокие температуры. Наибольшая энергия излучения исходит от внутренней части аккреционного диска, который вращается максимально быстро и потому имеет наибольшую температуру. Размер диска составляет триллионы километров в поперечнике, и при захвате его частиц черной дырой в 3С 273 (размером миллиард километров) испускаются гамма- и рентгеновские лучи.

В последние годы астрономы успешно наблюдают квазары с помощью приемников радиоволн, инфракрасного излучения и рентгеновских лучей. Оказывается, существуют два газовых лепестка по обе стороны от активной галактики, или квазара, в центре которой находится сверхмассивная черная дыра, окруженная аккреционным диском. Из внутренней части диска перпендикулярно ему вырываются в противоположные стороны две узких струи электронов (джеты), движущиеся с околосветовыми скоростями и излучающие радиоволны. Джеты простираются в окружающий космос на огромные расстояния — сотни тысяч триллионов километров, в пять-десять раз больше целой галактики, в которой находится квазар. Когда джеты врываются в лепестки газа, они возбуждают находящиеся в них атомы, и при этом излучаются радиоволны. Излучение самых больших квазаров настолько интенсивно, что оно затмевает звезды родной галактики, и может показаться, что существует только одна звезда, один квазизвездный объект — квазар [87]. Квазары встречаются только в старых галактиках. Они очень далеки от нас и во времени, и в пространстве. С течением времени аккреционный диск вокруг вращающейся черной дыры поглощает все частицы газа, и квазар гаснет. И мы можем только предполагать, что там, в этих областях, существуют миллионы черных дыр.

Открытия 1960-х годов полностью подтвердили теорию Чандры, высказанную им тридцать лет назад, и показали, насколько был не прав тогда Эддингтон.