Сергей Попов - Суперобъекты. Звезды размером с город

Кривая блеска рентгеновского барстера. Вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды, пока не происходит термоядерный взрыв.

Если мы отбросим версию черной дыры и представим себе, что там есть какая-то поверхность, то вспышки должны происходить (при условии, что радиус нашего альтернативного объекта не отличается от радиуса черной дыры всего лишь на несколько процентов). Поэтому существование таких двойных систем, похожих на системы с барстерами, – с перетеканием вещества, но без вспышек – один из самых надежных аргументов в пользу существования черных дыр.

Мы думаем, что в ближайшие годы прямое доказательство существования черных дыр будет получено, и именно благодаря двойным системам. Если у нас в систему вначале входило две очень массивные звезды, каждая из которых прожила свою жизнь и породила черную дыру, то потом такая система, теряя орбитальный момент за счет испускания гравитационных волн, может проэволюционировать до слияния черных дыр. Это приведет к появлению гравитационно-волнового всплеска, и детекторы текущего поколения смогут их зарегистрировать. А поэтому общественность ждет, что в 2017–2018 годах наконец-то будут напрямую зарегистрированы гравитационные волны от слияния компактных объектов, и одновременно доказано существование черных дыр. Дело в том, что по форме сигнала мы сможем сказать, взаимодействуют ли друг с другом горизонты черных дыр, или сливаются объекты, имеющие твердые поверхности (правда, тут все равно есть тонкость, так как если представить себе гипотетическую альтернативу черным дырам, где радиус поверхности на ничтожно малую величину превосходит радиус горизонта, то дать окончательный ответ все равно будет нельзя или по крайней мере очень трудно). Если не будут обнаружены вспышки, связанные с последними мгновениями хокинговского испарения черных дыр, то на долгое время гравитационно-волновые данные будут самым прямым и надежным доказательством существования черных дыр.

Результаты численного расчета сигнала от слияния черных дыр. После объединения двух компактных объектов в один наступает фаза «звона», определяемая поведением горизонта образовавшейся черной дыры.

Двойные системы могут быть достаточно разнообразными, и один из типов рентгеновских источников, связанных с двойными системами настолько необычен, что пришлось придумывать новый тип черных дыр.

Рентгеновские источники излучают, когда вещество с одной звезды перетекает на компактный объект и происходит выделение энергии. Казалось бы, чем больше перетекает вещества – тем больше поток излучения. Но в реальной ситуации существует некоторый предел светимости.

Все хорошо помнят, что свет может оказывать давление, этот факт был открыт в самом конце XIX века и сейчас является хорошо понятным феноменом. Решающие эксперименты провел в Москве на физическом факультете Университета профессор Петр Лебедев.

Есть много примеров того, как давление света влияет на хорошо известные нам объекты. Например, искусственные спутники немножечко «сдувает» излучением Солнца. Но Солнце – довольно слабый источник, тем более если мы говорим о спутниках, двигающихся в десятках и сотнях миллионов километров от него. При более сильном излучении эффект, разумеется, заметнее. А теперь представим себе такую картину: перед нами поверхность нейтронной звезды, и мы откуда-то сверху кидаем на нее вещество. Каждый выпавший килограмм вещества приводит к выделению энергии больше, чем при типичном атомном взрыве. Чем больше вещества падает, тем больше выделяется энергии и тем больше излучение будет давить на падающий поток вещества. В итоге установится какое-то равновесие: мы можем продолжать кидать вещество, но светимость, начиная с какого-то момента, не будет возрастать, а часть вещества будет просто уноситься потоком излучения. То есть возникнет какая-то предельная величина, характеризующая исходящее излучение. Это уже встречавшаяся нам эддингтоновская светимость.

Эддингтоновская светимость зависит от того, насколько сильно свет взаимодействует с веществом. Фотоны взаимодействуют с электронами, а гравитация с большей силой тащит вниз тяжелые протоны и нейтроны. Поэтому предельные значения для водородной плазмы, где на один электрон приходится одна тяжелая частица, и для гелиевой плазмы, где на электрон приходится уже две тяжелые частицы, будут разными. Но состав вещества при аккреции не сильно разнится в разных источниках. Поэтому самая главная зависимость эддингтоновской светимости – это зависимость от массы объекта, на который идет аккреция. У нас устанавливается баланс между давлением света и гравитацией. Чем больше масса – тем сильнее гравитация. Чем сильнее гравитация – тем больше предельная светимость. То есть только очень массивные объекты могут в спокойном состоянии (без взрыва) иметь высокую светимость.

Для нейтронных звезд эддингтоновская светимость оказывается равной примерно 100 000 светимостей Солнца. Если у нас есть черная дыра, которая образовалась из обычной звезды, то предел может чуть-чуть подрасти – раз в 10, в редких случаях в десятки раз. У нейтронных звезд полное энерговыделение может превосходить эддингтоновское, из-за сложной формы излучающей области, благодаря влиянию сильного магнитного поля. Но и здесь предел повышается менее чем сто раз даже в самых предельных случаях. То есть все равно очень трудно представить, как может существовать рентгеновский источник, основанный на компактном объекте звездной массы, со светимостью в несколько миллионов или даже десятков миллионов светимостей Солнца. А мы их видим…

В нашей Галактике таких источников нет, но как только появились хорошие рентгеновские телескопы, способные различать отдельные источники в какой-нибудь «далекой-далекой галактике» (первым таким прибором была обсерватория имени Эйнштейна), астрономы начали обнаруживать объекты с ненормально высокой светимостью. Существенно, что речь не идет об источниках в центрах галактик, которые могут быть связаны со сверхмассивными черными дырами. Также астрономы постарались максимально исключить ситуации, когда мы не можем разглядеть все в деталях, и принимаем группу из нескольких объектов за один источник. Ну и, разумеется, как могли, наблюдатели отбросили вероятные фоновые источники, например далекие квазары, случайно проецирующиеся на какую-нибудь гораздо более близкую галактику.