Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Преимуществом микролинзирования является то, что это простой и прямой метод. В случае с двойной звездной системой есть две массы, которые нужно измерить, наклонение орбиты – часто неизвестно и параметры, получаемые опосредованно при помощи спектроскопии. Линзирование требует единственного уравнения, связывающего увеличение яркости с массой и расстоянием до линзы. При типичных массах черных дыр увеличение яркости длится сотни дней, поэтому его легко заметить. Недостаток метода состоит в том, что увеличение яркости – это однократное событие, в отличие от постоянного орбитального движения двойной системы, позволяющего в дальнейшем получить больше данных. Когда черная дыра проходит перед отдаленной звездой, их можно сравнить с кораблями, расходящимися в ночи. Сигнал не повторяется. Еще важнее то, что в уравнении линзирования участвуют удаленность и масса, следовательно, если нет дополнительной информации, позволяющей вычислить расстояние, масса остается неопределенной.

Охотиться за черными дырами методом микролинзирования – словно искать иголку в стоге сена. Исследования на основе этого метода были разработаны с целью поиска MACHO – массивных компактных гало-объектов, возможно, объясняющих феномен «темной материи», которой в нашей Галактике в шесть раз больше по массе, чем обычной материи. Это могут быть любые объекты, темные или очень тусклые, как черные дыры, нейтронные звезды, коричневые карлики (объекты дозвездной массы) или свободнолетящие планеты. Микролинзирование не помогло обнаружить MACHO, но исследования, целью которых был поиск темной материи, все-таки нашли (немногочисленные) черные дыры [86] Темная материя – одна из величайших нерешенных проблем космологии. Движение звезд в галактиках всех типов свидетельствует о том, что они должны удерживаться вместе какой-то формой материи, не излучающей свет, но добавляющей до шести совокупных масс всех звезд. Исследования методом микролинзирования показали, что, по крайней мере в Млечном Пути, темная материя не может состоять из звездных остатков или субзвездных объектов. Инфракрасные наблюдения дополнительно исключили любые каменистые тела – от планет до пылинок. Лучшее оставшееся объяснение – неизвестная массивная, слабо взаимодействующая субатомная частица. . Одна звезда из миллиона подвергается микролинзированию, но лишь 1 % из этой выборки линзируется черными дырами, следовательно, чтобы обнаружить одну-две черные дыры, необходимо отслеживать несколько сотен миллионов звезд. Польская исследовательская группа изучила данные десятилетних наблюдений через 1,3-метровый телескоп и выявила трех убедительных кандидатов в черные дыры из миллиардов фотометрических измерений 150 млн звезд [87] L. Wyrzykowski, Z. Kostrzewa-Rutkowska, and K. Rybicki, “Microlensing by Single Black Holes in the Galaxy,” Proceedings of the XXXVII Polish Astronomical Society , 2016. Несмотря на сложность, микролинзирование – важное дополнение к статистическим данным о черных дырах двойных систем. Не найдены черные дыры в двойных системах менее 6 солнечных масс, а почти все нейтронные звезды имеют массы от одной до двух солнечных. Похоже, имеется «разрыв» в распределении масс звездных остатков от 2 до 6 солнечных масс, что, возможно, поставит под сомнение принятые ныне теории их формирования. К счастью, микролинзирование не подтверждает наличие разрыва. . Вот это целеустремленность!

Главный герой рассказа Эдгара Алана По «Низвержение в Мальстрем», написанного в 1841 г., – молодой человек, резко постаревший в ожидании вероятной смерти в водовороте у берегов Норвегии. Один из его братьев гибнет в бездне, второй сходит с ума от увиденного. Только рассказчик выживает, чтобы поведать о случившемся [88] E.A. Poe, “A Descent into the Maelstrom” (1841), in The Collected Works of Edgar Allan Poe , edited by T.O. Mabbott (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1978). . Он с содроганием вспоминает: «Водоворот этот был опоясан широкой полосой сверкающей пены; но ни один клочок этой пены не залетал в пасть чудовищной воронки: внутренность ее, насколько в нее мог проникнуть взгляд, представляла собой гладкую, блестящую, черную, как агат, водяную стену…» [89] Цит. по: По Э. А. Стихотворения. Проза. – М.: Художественная литература, 1976.

Вымышленный рассказчик По видит в этом водовороте странную и ужасную красоту. Нечто подобное можно испытывать, наблюдая черные дыры. Чудовища Эйнштейна страшны и чарующи. По краям водоворота кружатся останки кораблей, сверкают брызги и пена. Черная дыра в двойной системе также весьма зрелищна. Удивительная ирония астрономии: совершенно невидимые объекты могут стать ярчайшими во Вселенной. Все дело в гравитации.

В качестве земного примера рассмотрим плотину Итайпу на границе между Бразилией и Парагваем. Это плотина ГЭС, вырабатывающей колоссальную энергию – 100 тераватт-час в год, – достаточную для удовлетворения потребностей в энергии нескольких миллионов человек [90] Знаменитая американская дамба Гувера, введенная в действие в 1936 г., вырабатывает в 25 раз меньше электроэнергии и не входит в крупнейшие 50 электростанций мира по объемам производства энергии. Максимальную пиковую выработку дает спорная (по имеющимся и потенциальным негативным последствиям. – Прим. пер. ) гидроэлектростанция «Три ущелья» в Китае, но по среднегодовой выработке ее слегка опережает «Итайпу». . Откуда берется эта энергия? Плотина поднимает воду реки Параны. Каждую секунду 300 000 куб. м воды падают с высоты 110 м, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию воды, ускоренной до 45 м/с. У основания плотины скорость воды снижается в десять раз, поскольку ее кинетическая энергия переходит в энергию вращения лопаток турбины: вращающаяся турбина вырабатывает электроэнергию. Подобным образом вещество, падающее в черную дыру, выделяет энергию.

Посмотрим, что происходит, когда вещество падает в черную дыру. Этот процесс называется аккрецией. Черные дыры притягивают главным образом газообразный водород, который образует звезды и, разреженный, заполняет пустое межзвездное пространство. Его протоны и электроны могли бы следовать прямо внутрь – проваливаться за горизонт событий и исчезать в черной дыре, навсегда ускользая от нашего взора. Однако это крайне маловероятно, поскольку лишь немногие частицы газа будут двигаться прямиком к черной дыре; в большинстве они будут двигаться поперечно. Это движение может привести к тому, что частица навсегда улетит в космическое пространство или окажется на орбите вокруг черной дыры. Частицы также будут сталкиваться, поскольку летят по разным траекториям. Таким образом, движение частиц к дыре беспорядочно и хаотично, а столкновения приводят к разогреву газа.