Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Давайте представим себе эту ситуацию. Аккреционный диск, обеспечивающий колоссальную яркость квазара, весьма мал – мы будем считать его точечным источником света. Его яркость меняется на интервале нескольких дней, что стало одним из первых аргументов в пользу сверхмассивных черных дыр, поскольку источник не может быть больше времени перемещения света через его поперечник. Логика этого аргумента такова: если причиной изменения яркости является единственный объект, то чем быстрее она меняется, тем меньше должен быть этот объект. Свет из центральной точки источника проникает наружу и через некоторое время сталкивается с быстро движущимся газом, порождающим эмиссионные линии. Этот газ повторяет изменения яркости центрального источника света («отзывается эхом») с задержкой t , определяемой временем движения света через газ: t = R / c , где с – скорость света. Метод называется эхо-картированием, поскольку мы составляем карту «эха» для колебаний света от точечного источника. Время прибытия отзвуков указывает на размер области горячего газа.

Необходимо вести несложные, но тщательные наблюдения. Начинается наблюдательная «кампания»: телескопы по всему миру измеряют спектры отобранных квазаров или активных галактик. Если несколько телескопов в разных точках мира обеспечивают круглосуточное наблюдение за изменениями светимости, это гарантирует получение данных, даже если в одном или двух местах наблюдения невозможны из-за облачности. Спектры собирают в течение недельных наблюдений, повторяющихся несколько раз в год, поэтому в выборку попадают все временные шкалы, от нескольких дней до нескольких месяцев. Газ, вызывающий свечение эмиссионных линий, «откликается» на излучение черной дыры с задержкой, равной времени движения света до него. Эта задержка позволяет определить размер области свечения широких спектральных линий, который, в свою очередь, дает информацию о массе черной дыры [189].

Итак, эхо-картирование основывается на временном, а не пространственном разрешении. Метод был впервые применен к NGC5548 – одной из активных галактик, открытых Сейфертом; черная дыра в ее центре в 65 млн раз массивнее Солнца, с погрешностью 4 % [190]. Кампании интенсивного мониторинга с использованием малых телескопов позволили установить массы 60 черных дыр ближних активных галактик [191]. Исследования показывают: чем мощнее активная галактика, тем больше ее область быстро движущегося газа.

Здесь начинается самое интересное. Кропотливая работа по эхо-картированию показывает, как размер области свечения эмиссионных линий соотносится со светимостью активной галактики. Теперь вместо долгосрочного мониторинга с сотнями или тысячами измерений по интересующей нас активной галактике можно оценивать массу черной дыры по одному-единственному спектру. Ширина линий излучения дает V , а светимость – R , и это все, что нужно для решения уравнения M BH? RV 2/ G . Массы черных дыр рассчитываются по единичным спектрам с погрешностью в три раза большей, то есть 300 %, – этого достаточно для статистики. Больше не нужно тратить месяцы наблюдений на определение массы одной черной дыры – можно за одну ночь оценить массы ста черных дыр. Уже опубликованы массы десятков тысяч этих объектов [192]. Астрономы собирают урожай черных дыр в промышленных масштабах.

Материя падает в черную дыру и нагревается. Кроме того, энергия вращения черной дыры ускоряет частицы, которые затем испускают излучение. Это чрезвычайно эффективный процесс. Если определять эффективность отношением выделенной энергии к энергии массы всех входящих ингредиентов, то эффективность аккреции черной дыры составит около 10 %. Для сравнения: у ядерного распада или синтеза этот показатель равен 1 %, а у химических процессов с выделением энергии – 10 –7%. Материя может высвободить 10 % своей массы-энергии просто в процессе падения!

Сколько нужно массы, чтобы превратить сверхмассивную черную дыру в квазар? Не слишком много. Чтобы черная дыра в 100 млн солнечных масс выделяла энергию уровня квазара, 10 39Вт при эффективности в 10 %, она должна поглощать всего одну массу Солнца за год [193]. Вдумайтесь, проглатывая лишь одну звезду в год, черная дыра может сиять ярче целой галактики со всеми ее звездами! Говоря словами Джона Апдайка: «В одной незамеченной звезде хватит энергии для всех небес, когда-либо выдуманных сумасшедшими» [194]. Однако питать черную дыру сложно, поскольку излучение квазара вызывает давление, отталкивающее материю от центрального источника. Оно аналогично давлению излучения, разворачивающему хвост кометы в противоположную от Солнца сторону. Для аккреции материи гравитация, направленная внутрь сверхмассивной черной дыры, должна превышать направленное вовне давление излучения.

Астрономам потребовалось много времени, чтобы составить полную картину аккреции в активных галактиках. Дело в том, что физические процессы вблизи черных дыр приводят к выделению энергии в огромном диапазоне частот [195]. Например, эталонный квазар 3С 273 был зарегистрирован на частотах от 10 8Гц до 10 24Гц – разброс длин волн в 10 000 трлн раз, от трехметровых радиоволн до гамма-излучения длиной в одну треть размера протона (илл. 36). Однако из всего этого разнообразия наземные обсерватории способны зарегистрировать лишь широкую полосу радиочастот и узкий сегмент от ближней инфракрасной до оптической области. Для остального нужны специальные спутники на орбите Земли.

Если смотреть на Вселенную лишь в одной части электромагнитного спектра, информация о ней будет неполной: возникает проблема «слона и слепцов». Чтобы всесторонне изучить энергию аккреции, нужно увидеть слона целиком. Оказалось, что радиоизлучение, впервые привлекшее внимание к активным галактикам в 1950-х гг., – это очень малая часть энергии квазара. Излучение исходит от релятивистских электронов возле черной дыры и в парных джетах – назовем его хвостом слона. Следующим по значимости компонентом является высокоэнергетическое рентгеновское излучение, источником которого также являются релятивистские электроны, – это хобот слона. Еще более важное – инфракрасное излучение холодной пыли (температурой 10–100 кельвинов) находящейся еще дальше от черной дыры. Пыль – слоновья нога. Основную роль в энергии квазара играет аккреционный диск, очень близкий к черной дыре. Он имеет температуру около 100 000 кельвинов и выделяет большую часть своей энергии в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах [196]. Это основная часть слона, его тело.