Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Аналогией является ситуация с детскими качелями или качалкой-балансиром. Когда на концы качалки садятся два человека одного веса, они находятся в равновесии. Если сядут ребенок и взрослый, то взрослый должен сместиться ближе к середине, чтобы уравновесить ребенка. Это рычаг с центром равновесия работает так же, как орбита с центром масс. Когда массы резко различаются, как у планеты и звезды, вокруг которой она вращается, орбита звезды настолько мала, что она едва покачивается. Например, Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, заставляет Солнце покачиваться с периодом, равным 12-летнему орбитальному периоду Юпитера.

Обычно орбиты являются эллиптическими, а не круговыми, но это усложнение не влияет на основу рассуждений. Скорость движения по орбите меняется по мере ее прохождения, но средняя скорость является такой же, что и при круговой орбите той же длины.

Полное решение для двойной орбиты дает уравнение PK 3/2? G = M sin 3 i/ (1 + q ) 2, где Р – период, К – половина полной амплитуды изменения лучевой скорости, М – масса черной дыры, а q – соотношение массы компаньона и массы черной дыры.

D. Sobel, The Glass Universe: How the Ladies of the Harvard Observatory Took the Measure of the Stars (New York: Viking, 2016).

C. Brocksopp, A.E. Tarasov, V.M. Lyuty, and P. Roche, “An Improved Orbital Ephemeris for Cygnus X-1,” Astronomy and Astrophysics 343 (1998): 861–64.

J. Ziolkowski, “Evolutionary Constraints on the Masses of the Components of the HDE226868/Cygnus X-1 Binary System,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 358 (2005): 851–59.

J.A. Orosz et al., “The Mass of the Black Hole in Cygnus X-1,” Astrophysical Journal 724 (2011): 84–95.

Это краткое обсуждение повлекло за собой десятки статей и тысячи часов наблюдений, возвысивших Лебедь Х-1 до звания эталонного кандидата в черные дыры. Потребовались годы, чтобы устранить погрешности наблюдения и отвергнуть другие модели. Например, чтобы обойтись без черной дыры, первые модели вводили систему тройных звезд из голубого сверхгиганта и тесной двойной системы, включающей звезду главной последовательности и нейтронную звезду. Постепенно выяснилось, что эти модели крайне маловероятны. См.: H.L. Shipman, “The Implausible History of Triple Star Models for Cygnus X-1: Evidence for a Black Hole,” Astrophysical Letters 16 (1975): 9–12.

J. Ziolkowski, “Black Hole Candidates,” in Vulcano Workshop 2002, Frontier Objects in Astrophysics and Particle Physics , edited by F. Giovanelli and G. Mannocchi (Bologna: Italian Physical Society, 2003), 49–56, и J.E. McLintock and R.A. Remillard, “Black Hole Binaries,” in Compact Stellar X-Ray Sources , edited by W. H.G. Lewin and M. van der Klis (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006), 157–214.

Другой способ регистрации изолированных черных дыр основывается на их способности притягивать разреженный газ из межзвездной среды. Если этот газ нагревается, падая в черную дыру, он излучает спектр определенного вида в видимом диапазоне. Одно исследование перебрало почти 4 млн звездных источников из Слоуновского цифрового небесного обзора и выделило 40 из них подходящего цвета со слабым рентгеновским излучением. Ни один из претендентов не подтвердил статус черной дыры, и вердикт этому методу поиска черных дыр пока не вынесен.

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.

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.

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).

Цит. по: По Э. А. Стихотворения. Проза. – М.: Художественная литература, 1976.

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».

Момент импульса частицы – mvr : произведение массы частицы, ее скорости и расстояния до центра вращения. Сохранение момента импульса при орбитальном движении демонстрируется вторым законом Кеплера. Планета или комета, подходя ближе к Солнцу, движется быстрее, следовательно, уменьшение r компенсируется увеличением v , и произведение остается постоянным.

Настоящие вычисления требуют привлечения общей теории относительности и некоторых приближений. Единственным более эффективным процессом выработки энергии является аннигиляция вещества и антивещества, при котором масса-энергия выделяется с эффективностью 100 %. Однако это очень редкая ситуация во Вселенной, тогда как энергия аккреции выделяется всеми черными дырами в двойных системах. Полное описание см. в учебниках, например: J. Frank, A. King, and D. Raine, Accretion Power in Astrophysics , 3rd edition, (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2002).

Вычисление характера потери момента импульса, которое позволяет веществу упасть в черную дыру, было большой проблемой. Ответ включает турбулентность и магнитные поля, пронизывающие аккреционный диск. Первая «стандартная» модель аккреционного диска, частично решившая проблему: N.I. Shakura and R.A. Sunyaev, “Black Holes in Binary Systems: Observational Appearance,” Astronomy and Astrophysics 24 (1973): 337–55. Прорыв связан с осознанием того, что магнитные поля могут в огромной мере усиливать перенос момента импульса; см.: S.A. Balbus and J.F. Hawley, “A Powerful Local Shear Instability in Weakly Magnetized Disks: I. Linear Analysis,” Astrophysical Journal 376 (1991): 214–33. Чтобы полностью смоделировать ситуацию, понадобились вычислительные возможности современных компьютеров. Трехмерные магнитогидродинамические расчеты относятся к числу самых сложных в астрофизике.