Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

К настоящему времени наиболее достоверные и убедительные данные относительно черных дыр получают и описывают с использованием рентгеновского излучения. История его применений начинается в 1895 г., когда весьма известный и авторитетный физик-экспериментатор Вильгельм Рентген, возглавлявший Институт физики в Университете Вюрцбурга (Бавария), обнаружил существование рентгеновских лучей. Рентген занимался исследованием катодных лучей (пучков электронов) и, в частности, пытался выяснить, являются они волнами или частицами. Сейчас из квантовой механики нам известно, что электроны могут обладать свойствами и частиц, и волн, но Рентген жил в доквантовом мире. Как-то поздно вечером в пятницу, работая в своей лаборатории, Рентген изучал свечение флуоресцентного экрана под воздействием катодных лучей и обнаружил, что на экране, располагавшемся недалеко от источника лучей, появляется светящееся пятно даже в полностью затемненной комнате и при полной изоляции трубки с экраном. Он тщательно проверил изоляцию установки от внешних источников света. Поместив свинцовый лист на пути пучка электронов, он вдруг увидел четкое изображение костей своей руки рядом с тенью листа. В этот вечер, 8 ноября 1895 г., Рентген начал экспериментировать с обнаруженным им источником излучения. Он назвал новый тип излучения Х-лучами (сейчас мы называем их рентгеновскими), и они возникают при бомбардировке катодными лучами (электронами) стеклянной поверхности электронных трубок. Рентген сразу обнаружил, что излучение является очень мощным и легко проникает через кожу и ткани человеческого организма, создавая изображение костей скелета. Возбужденный этим открытием, он сделал первую в истории рентгенограмму и получил снимок левой руки своей супруги Анны Берты Рентген (урожденной Людвиг), где хорошо видна структура костей кисти руки и тень от обручального кольца.

Проведя тщательное изучение открытого им явления, Рентген опубликовал в начале 1896 г. работу, сразу ставшую мировой сенсацией. Один из ведущих физиков этой эпохи, Вильям Томсон (лорд Кельвин), даже посчитал статью Рентгена шуткой или розыгрышем и поменял свое мнение лишь после ее многократной проверки в разных лабораториях. В 1901 г. за открытие Х-лучей Рентген стал первым лауреатом по физике только что утвержденной Нобелевской премии. Со временем именно это открытие стало ключом к разгадке тайн черных дыр во Вселенной.

Рентгеновские лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение с очень малыми длинами волн, лежащими в диапазоне от 0,1 до 1 нм {18} (для сравнения можно указать, что область видимого света простирается от 390 до 700 нм). Область радиоволн характеризуется самыми большими длинами волн (от 1 мм до 100 км). Человек никак не воспринимает рентгеновское излучение (сетчатка нашего глаза просто не имеет соответствующих рецепторов), и поэтому мы можем видеть его, только пользуясь специальными детекторами.

Открытие нейтронных звезд и пульсаров показало, что предсказанная теорией звездной эволюции смерть звезд была верной и что черные дыры — неизбежный результат эволюции звезд при определенных условиях. В конечном итоге это стимулировало охоту за черными дырами. Оказалось, что природа дала нам критический ключ к разгадке ранней стадии: огненный, смертельный вздох звезды в 1054 г., когда в средневековом Китае наблюдался взрыв сверхновой и это было записано усердными китайцами. Событие описал придворный астроном Янг Вэй-Тэ, который даже докладывал императору о рождении новой и яркой звезды-гостьи в созвездии Тельца. Послесвечение этого взрыва до сих пор можно наблюдать в Крабовидной туманности, где взорвавшаяся звезда существует в виде пульсара, окруженного светящимися и разлетающимися остатками ее оболочки.

Звезды с массой меньше Солнца сразу после выгорания внутреннего ядерного топлива превращаются в белых карликов — звездный труп. Звезды, весящие больше Солнца, слишком массивны, чтобы стать белыми карликами после выгорания всего их ядерного топлива [8]. Это и выглядит для внешнего наблюдателя эффектным взрывом сверхновой. При этом звездные «осколки» взрывов (то есть оболочки звезд, бывших изначально массивнее нашего Солнца) содержат все химические элементы, из которых состоим мы сами. Например, весь кальций в наших организмах был когда-то синтезирован внутри звезд упомянутого типа, а затем развеян в пространстве космоса после чудовищных взрывов сверхновых. Описанная выше теоретическая цепочка процессов рождения, развития и гибели звезд предполагает, что более массивные звезды после взрыва превращаются либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Переход от этих теоретических построений к практическим астрономическим наблюдениям осуществили в 1968 г. студентка-выпускница Кембриджа Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш, которым удалось первыми обнаружить пульсары. Во время наблюдений за звездами при помощи нового радиотелескопа, предоставленного Маллардовской радиоастрономической обсерваторией (Mullard Radio Astronomy Observatory), в окрестностях Кембриджа им посчастливилось зарегистрировать источник, излучающий импульсы с частотой 1,3 с, а позднее и много других высокоточных источников, которые можно назвать условно таймерами. Они напоминают космические часы, «тикающие» с высокой точностью. Франко Пачини и Томас Голд (один из известных сторонников теории стационарного состояния Вселенной) предположили, что обнаруженные объекты представляют собой вращающиеся черные дыры, однако в этом случае они должны были иметь исключительно высокую плотность. К настоящему времени уже известно, что пульсары действительно быстро вращаются и «тикают», причем не только в радиочастотном диапазоне, но и в рентгеновском. Вскоре после обнаружения Беллом пульсаров астрономы выяснили, что звезда в центре Крабовидной туманности тоже пульсирует (с частотой около 30 раз в секунду), а затем был зарегистрирован еще один, новый тип таких объектов, которые можно назвать «трупами» звезд.

Потребовалось еще некоторое время, прежде чем астрономы обнаружили наиболее экзотические виды звездных «осколков». Особую остроту поиски черных дыр приобрели только после того, как астрономы в конце 1960-х гг. окончательно объединили свои усилия с физиками-теоретиками, занятыми разработкой идей в области ОТО. И вновь сочетание наблюдений и теории помогло катализировать ход исследований. Расчеты двух известных теоретиков (Якова Зельдовича и Эдвина Салпетера) показали, что черные дыры при своем движении должны поглощать газовые и пылевые облака, заполняющие межзвездное пространство. Основываясь на этом предположении, они предсказали существование некоторой новой и необычной формы «света» с длиной волны ниже границы видимого диапазона, который и должны излучать нагретые газы и пыль, засасываемые внутрь черной дыры сильнейшим гравитационным полем. Процесс захвата газа и пыли из окружающего пространства черной дыры был назван аккрецией [9]. Вскоре астрономы поняли, что оптимальное сочетание для наблюдения процесса аккреции представляет собой двойную звездную систему из массивной черной дыры, которая медленно «отрывает» вещество от своего партнера в виде нейтронной звезды. Вытягиваемый черной дырой газ при этом разогревается до исключительно высоких температур, порядка 100 млн °С. Теоретически уже было известно, что при таких температурах газ должен излучать в рентгеновском диапазоне, а быстрое и случайное «мерцание» регистрируемых сигналов служит явным свидетельством наличия активно поглощающего этот газ очень плотного объекта типа нейтронной звезды или черной дыры.