Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 35
В центрах других галактик мы видим массивные объекты, и тоже достаточно компактные. Поскольку другие галактики дальше, ограничения на размер менее жесткие, но все равно, если мы знаем, что в центре галактики сидит массивный и компактный объект с массой миллиард солнечных, очень трудно придумать, как еще он мог образоваться. Считается, что это черные дыры. Есть еще черные дыры в двойных звездных системах, это когда одна из двойных звезд превращается в черную дыру.
Теоретически, мы можем наблюдать черные дыры просто как невидимые массивные спутники звезд, но чаще их наблюдают по излучению газа, падающего в дыру. Поскольку они обладают очень сильным гравитационным полем, то объекты, падающие в черную дыру, разгоняются до очень большой скорости и формально пересекают горизонт со скоростью света. Так вот если мы просто бросаем предмет в черную дыру, то он туда падает, и практически ничего не излучается. Но мы можем себе представить другую ситуацию. Мы кидаем два предмета в черную дыру, они сталкиваются друг с другом незадолго до падения под горизонт. То есть получается, что у нас сталкиваются два объекта, двигающиеся с очень высокой скоростью. При этом каждый для другого является стенкой, и выделяется очень большая энергия. В реальности на черную дыру может течь газ, поэтому газ сталкивается сам с собой. Например, если в начале был момент вращения, вокруг черной дыры может образоваться диск, и из-за трения этот быстро движущийся газ разогревается до миллионов градусов, при этом выделяется очень много энергии. Это простой, но очень эффективный способ генерации энергии, и черные дыры наблюдаются по излучению этого падающего газа. Такая схема реализуется, например, в двойных системах, если вещество из одной звезды течет в другую, которая в данном случае является черной дырой. Черная дыра, на которую идет мощный поток вещества в центре галактики, называется квазаром. Квазаров очень много, мы знаем как минимум десятки тысяч штук, на самом деле их больше, но это вопрос обнаружения и классификации большого количества объектов. В двойных системах мы в основном изучаем черные дыры все-таки в нашей галактике, хотя есть примеры и в других. В нашей же таких систем известно несколько десятков. Так что можно сказать, что по большей части астрофизики изучают сверхмассивные черные дыры, но это просто наблюдательный эффект, на самом деле маленьких черных дыр больше, просто их труднее найти.
- Много ли черных дыр во Вселенной?
Тут вопрос — каких? Мы знаем два основных типа черных дыр — это дыры из звезд и сверхмассивные. Плюс есть два обсуждаемых типа черных дыр — это маленькие первичные черные дыры и черные дыры промежуточных масс. Последние связаны с объектами, природу которых легко объяснить, если в них находится черная дыра не сверхмассивная, а с массой тысяча масс солнц, скажем. Это пока остается моделью, нет достаточно прямых данных. Важно, что есть разные типы черных дыр, и поэтому, отвечая на вопрос «Сколько?», нужно уточнять, каких. Сверхмассивных черных дыр должно быть (грубо говоря) столько же, сколько галактик, а их сто миллиардов в видимой части Вселенной. Черных дыр звездных масс в нашей галактике примерно сто миллионов. Соответственно, в каждой галактике типа нашей должно быть примерно столько же.
- А почему первых столько же, сколько и галактик? Какая здесь связь?
Во-первых, мы видим, что практически в любой массивной галактике, которую мы можем достаточно хорошо изучить, есть своя черная дыра. При этом ей не обязательно выглядеть так, будто горит что-то яркое. В центре нашей, например, практически ничего не светит. Более того, видно, что чем больше масса сферической составляющей галактики, тем больше масса черной дыры. То есть такое ощущение, что черные дыры образуются вместе со сферической частью галактики. Строятся соответствующие модели, и чтобы хорошо объяснить эту связь, нужно предположить, что в каждой галактике на каком-то этапе возникает сверхмассивная черная дыра. Есть, конечно, детали, например, она может вылететь из галактики, но это исключение. Согласно современной модели в каждой галактике уже на самых ранних этапах есть черная дыра, это достаточно легко объяснить на пальцах. Звезды образуются раньше галактик, первое, что у Вселенной зажглось, это звезды. Образовались небольшие облака газа, в которых зажглась одна массивная звезда, может быть две. А массивные звезды превращаются в черные дыры. Поэтому достаточно быстро появились первые черные дыры. Они, конечно, не обнаружены напрямую. Масса у них была, как мы думаем, примерно двести масс Солнца. Потом шел процесс образования структуры. Первые сгустки вещества объединились, и стали образовываться галактики. Получается, что поскольку галактики состоят из большого числа блоков, то к моменту образования галактики было уже много черных дыр с массой двести-триста масс Солнца. Часть этих черных дыр может попадать в центр, они начинают быстро расти, сливаются друг с другом, на них течет газ, темное вещество, и таким образом в центре образующейся галактики появляется зародыш сверхмассивной черной дыры, вместе с галактикой растет и черная дыра. Поэтому мы думаем, что в центре каждой галактики должна быть черная дыра, но галактика должна быть определенного типа, достаточно массивной. Скажем, в Магеллановых облаках не должно быть черных дыр. Соответственно, в видимой части Вселенной насчитывается сто миллиардов сверхмассивных черных дыр (по числу крупных галактик), и сто миллионов черных дыр звездных масс в каждой крупной галактике. Первичных дыр должно быть очень много, если они вообще есть. С черными дырами промежуточных масс ситуация менее ясна, поскольку это модельный объект. Но если верна картина образования галактик, как я ее описал, значит, в каждой галактике кроме сверхмассивной дыры в центре и дыр, образовавшихся из звезд уже этой галактики, болтается несколько сотен черных дыр с массой двести-триста (может быть тысяча) солнечных масс.
- Как далеко от нас черные дыры?
Узнать это достаточно просто. Нужно оценить размер галактики, посчитать ее объем, прикинуть количество черных дыр, разделить одно на другое. Если вы это проделаете, то окажется, что ближайшая черная дыра находится на расстоянии примерно ста световых лет от нас. По галактическим меркам это немного. Но обнаружить такой объект достаточно трудно (к сожалению астрофизиков, которые хотели бы ее изучать), поскольку это должна быть одиночная черная дыра звездной массы. Вроде бы до черных дыр рукой подать, но наблюдать их непросто. При этом отмечу, что, несмотря на то, что черные дыры находятся от нас относительно близко, ничего страшного в этом нет, не нужно представлять себе черную дыру как пылесос, который все засасывает.
- Не нужно? Она же и правда втягивает.
Это не очень удачный образ. Вот представьте. Есть черная дыра массой десять масс Солнца, а есть звезда с массой десять масс Солнца. Вы с закрытыми глазами крутитесь вокруг того и другого объекта, и не видите никакой разницы, важна только масса, и всё. Представлять себе, что черная дыра будет тихонечко засасывать все объекты, которые вокруг нее находятся, не правильно. Точно так же, как мы все не падаем на звезды и Солнце, мы не падаем в эти многочисленные черные дыры. Черная дыра находится в центре нашей галактики, вокруг этого центра мы крутимся вместе со звездами. Звезды находятся гораздо ближе к центру, и даже это не поможет им попасть в черную дыру. Точно также как Земля не падает на Солнце, Луна не падает на Землю, так и звезды, вращающиеся вокруг черной дыры, не падают на нее. Естественно, упасть туда можно, как можно упасть на Солнце или Землю (что еще проще), но для этого нужны особые условия. Скажем, запустить спутник, и сделать так, чтобы он упал на Солнце — очень дорого. Хотя, казалось бы, Солнце близко и массивное, но Земля крутится вокруг него со скоростью 30 км в секунду. Чтобы упасть на Солнце, вам нужно погасить эту скорость. Поэтому лететь к Меркурию гораздо дороже, чем к Юпитеру. Меркурий значительно ближе, но чтобы на него попасть, вам нужно очень сильно затормозить, а чтобы полететь к Юпитеру, нужно чуть-чуть разогнаться. Так что если вы со страшной скоростью летите на звездолете, и знаете, что рядом черная дыра, чтобы в нее попасть, вам нужно будет остановить звездолет, что очень трудно сделать, или же направить его прямо внутрь черной дыры, что тоже непросто. А вот мимо вы пролетите сами собой, без особых усилий.
- Какие направления в исследовании физики черных дыр, на Ваш взгляд, являются наиболее интересными?
Сложно сказать, потому что это вопрос личного вкуса. В исследовании черных дыр есть несколько аспектов. Есть теоретические исследования, где можно решать очень сложные и увлекательные задачи, например, в моделировании образования черных дыр. С другой стороны, есть астрофизика, где люди в разных условиях наблюдают разные типы черных дыр. Кому-то интересно заниматься сложной задачей, которая, возможно, никогда не сможет быть решена. Но зато если получится добиться результата, будет очень здорово. А кому-то интересно наблюдать квазар прямо сейчас. Но, на мой взгляд, наиболее перспективные исследования связаны с поиском и изучением гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Возможны красивые ситуации, когда обе звезды двойной системы превращаются в черные дыры, или одна в нейтронную звезду, другая в черную дыру, неважно. Так вот такая пара звезд потихонечку будет сближаться из-за излучения гравитационных волн. И, в конечном счете, они сольются. При этом выделится много энергии в такой удивительной форме, как гравитационные волны. Гравитационные волны были предсказаны ОТО, по многим свидетельствам мы знаем, что они есть, и пытаемся найти непосредственно сигнал слияния. Для этого строят большие сложные детекторы, и если сигнал будет найден, это станет серьезным механизмом исследования самих черных дыр, а не процессов, происходящих в газе вокруг них. Но в реальности в этом направлении исследований нет результатов: пока ничего не видно, потому что установке не хватает чувствительности. На мой взгляд, из ближайших ожиданий это — самое интересное.
