26.09.2007. - ОГНЕДЫШАЩИЕ ДЫРЫ

ОГНЕДЫШАЩИЕ ДЫРЫ

Рафаил НУДЕЛЬМАН

"Как все, кому довелось постранствовать по нашей Вселенной и повидать многие ее чудеса, я могу засвидетельствовать, что нет в ней зрелища чудесней, страшней и грандиозней, чем те исполинские образования, которые на языке наших земных астрономов именуются скоплениями галактик. Уж на что удивительны вихревые пульсары, чье непредставимо тяжеловесное тело обращается вокруг своей оси за доли секунды, так что их непредставимая скорость приближается на экваторе к скорости света, или те громовые магнетары, магнитные поля которых, сотрясаясь, мнут и складывают вокруг себя доселе девственно плоское пространство, или сталкивающиеся звезды, порождающие в невообразимо короткое мгновение такой выброс энергии, что он освещает Вселенную от края до края в лучах гамма-спектра... да что там, многое может припомнить путешественник вроде меня, вдосталь потоптавший пыльные тропы универсума, но другого такого, как эти скопления, даже я не припомню".

Так или примерно так мог бы начать свой очередной рассказ лемовский Ийон Тихий, этот забавный путешественник по странным мирам, мы же со своей стороны готовы лишь присоединиться к его профессиональной оценке. Какой-то астроном, занимающийся этими скоплениями, нашел замечательный ход, наглядно демонстрирующий ни с чем не сравнимую грандиозность того, что называется скоплением галактик. От Луны до Земли, напомнил он, свет доходит примерно за секунду; от Солнца — за 8 минут; от центра нашей галактики Млечный Путь — за 25 тысяч лет! Но какой микроскопической малостью это кажется в сравнении с десятью МИЛЛИОНАМИ лет, которые понадобятся свету, чтобы пересечь одно такое скопление?! Воистину это самые большие во всей Вселенной объекты, еще удерживаемые как единое целое силами гравитации. (Кстати, наш Млечный Путь тоже входит в одно из таких скоплений, в так называемую Местную группу, насчитывающую три больших и примерно сорок малых галактик, и, в свою очередь, входит в скопление Девы, которое насчитывает несколько десятков больших и несколько тысяч малых галактик.)

Наша Вселенная вообще-то не скудна грандиозными образованиями, но не думайте, что речь идет об отдельных галактиках, потому что при всей своей невероятной огромности отдельные галактики — всего лишь ничтожные звенья "крупномасштабных структур" Вселенной, которые открываются глазу, если глянуть на объемную карту, где точками нанесены все известные науке галактики.

Эта карта показывает, что точки-галактики расположены во Вселенной не хаотически, а образуя некие длинные "нити" и "стены", причем каждое из таких образований может содержать тысячи галактик и простираться на сотни миллионов световых лет. А все вместе они, в свою очередь, образуют некую пространственную сеть, в гигантских ячейках которых (тоже протяженностью в сотни и тысячи миллионов световых лет) царит пустота, зато в "узлах", на пересечениях "нитей", сверкают чудовищных размеров и яркости сгустки вещества, насчитывающие несколько десятков или сотен, а порой и тысячи "точек". Отдельные же сгустки, вроде "Великого Тягача" в направлении созвездия Кентавра, содержат этих точек-галактик столько, что их совокупная масса даже оказывает влияние на расширение Вселенной как целого. Вот это и есть скопления галактик. А рассказать о них самое время потому, что недавно появились последние по счету результаты многолетних наблюдений, позволившие объяснить некоторые загадки.

Скопления ставят перед астрономами не одну загадку. Их свойства — именно в силу грандиозных размеров — весьма необычны. Например, они крайне медленно меняются — время какого-либо существенного изменения сравнимо со временем существования Вселенной как целого, и в результате скопления и сегодня еще содержат следы своей древней истории; изучая их, можно проникнуть в те эпохи, когда возникали первые галактики.

Далее, гравитационные силы, стягивающие каждое скопление воедино, происходят главным образом от огромного облака "темного вещества", в которое погружено скопление как целое (существование этого невидимого, но имеющего гравитацию вещества доказывается тем, что хотя отдельные галактики скопления имеют очень большую скорость, они не вылетают из него, как будто удерживаются каким-то дополнительным тяготением). В центре самых больших скоплений обычно находится гигантская галактика, самая большая во всем скоплении, а в ее центре — чудовищных размеров "черная дыра".

И еще: все пространство скопления, как оказалось, заполнено газом, который невидим в лучах обычного спектра, но масса которого раза в два больше суммарной массы всех тысяч миллиардов видимых звезд всего скопления. Газ этот удерживается внутри скопления его гравитационными силами, и это отличает скопление от единичных галактик, которые выбрасывают свой газ (образуемый в процессе взрывов сверхновых звезд) наружу в межгалактическое пространство. По нынешним оценкам, "темное вещество" составляет 85% массы скопления, звезды — 5%, а газ — остальные 10%. Вот об этом-то газе и пойдет речь.

Хотя он невидим, его наличие доказывается рентгеновскими лучами, которые он излучает. С их помощью его и изучают. В последние десятилетия для этого было запущено на орбиты несколько "рентгеновских телескопов": "Эйнштейн", РОСАТ, "Чандра", "Ньютон". Они позволили уловить излучение газа в нескольких крупных и наиболее близких скоплениях. Наличие рентгеновского излучения, самого высокоэнергетического (после гамма-лучей) во всем электромагнитном спектре, говорит, что газ в скоплении должен иметь высокую температуру, порядка 10—100 миллионов градусов. Энергию для такого нагрева он получает в основном от медленного, идущего миллиарды лет гравитационного сжатия всего скопления (небольшую добавочную энергию приносят также постепенно притягиваемые скоплением новые галактики, получающие от притяжения большую скорость).

Газ внутри скопления (ГВС) в высшей степени разрежен — тысяча атомов на кубический сантиметр. Поскольку он излучает, то должен постепенно остывать, сжиматься и стягиваться к центру скопления. В результате сжатия ГВС в центральную область скопления должно непрерывно приходить дополнительное вещество. По оценкам исследователей, за год его должно хватить на образование примерно ста звезд массой с наше Солнце. Стало быть, за время существования скопления таких звезд должны были образоваться миллиарды. Но этих звезд в межгалактическом пространстве скопления нет, и это как раз и составляет упомянутую выше загадку.

Новейшие исследования группы американских астрономов, проведенные с помощью рентгеновского телескопа "Чандра", позволили, как уже было сказано, эту загадку решить. Они вскрыли удивительный циклический процесс, идущий в недрах больших скоплений и объясняющий отсутствие искомых звезд. Детали этих исследований слагаются в интереснейшую научно-детективную историю.

Слева: рентгеновское изображение обсерватории Чандра показывает две темные полости (каждая по 200 килопарсек в диаметре). Контуры показывают радио-изофоты VLA (Very Large Array) на частоте 1.4 ГГц. Справа: то же скопление MS 0735 в видимом (красном) свете с теми же радио-изофотами. Яркость радиоизлучения максимальна в центре, где расположена гигантская галактика, затем падает по закону r-1/4 и снова увеличивается как раз внутри полостей, так как они заполнены горячим замагниченным газом и нетепловыми ультрарелятивистскими электронами (изображение: www.scientific.ru)

Сначала наблюдения за относительно близким к Земле скоплением в созвездии Персея выявили в его центре загадочное образование — два гигантских и вроде бы пустых "пузыря", находящихся рядом, по обе стороны от центра, и образующих вместе некое подобие песочных часов. Внимательное изучение других больших скоплений показало, что и в них есть такие "пузыри". Затем еще более пристальное изучение одного из этих объектов (скопления с каталоговым номером 0735) выявило детали самих "пузырей". Выяснилось, что они не пусты — внутри них оказался газ, плотность и температура которого указывала, что "пузыри" образовались около 100 миллионов лет назад. Постепенно раздуваясь, они достигли размеров в 600 тысяч световых лет в поперечнике каждый (в 6 раз больше поперечника Млечного Пути) и содержат, судя по температуре, огромное количество энергии.

Понятно, что такие горячие "пузыри", раздуваясь, должны были нагревать окружающий газ внутри скопления и тем самым мешать ему охлаждаться, и сжимаясь, стекать к центру скопления. Это могло бы объяснить, почему поток охлаждающегося газа не породил доселе сотни миллиардов звезд вблизи этого центра. Но каким образом могут горячие "пузыри" передавать энергию высокоразреженному газу? Поначалу было предположено, что передачу энергии осуществляют "сильные ударные волны". Известно, что любой взрыв рождает ударные волны, которые движутся со сверхзвуковой скоростью и сжимают вещество впереди себя. Этот фронт ударной волны, сталкиваясь с любым встречным телом, передает ему свою высокую энергию и тем самым нагревает или даже разрушает.

Нечто подобное, по мнению некоторых исследователей, должно было происходить и в недрах скопления галактик. Один из исследователей, Пол Риккер, проделал компьютерное моделирование, которое как будто подтвердило это объяснение. Однако прямые последующие наблюдения не обнаружили в изучаемых скоплениях тех "ударных фронтов", которые должны были бы в таком случае окружать упомянутые "пузыри". Поэтому оказалось необходимым искать другие механизмы передачи энергии. И в ходе дальнейших наблюдений они были найдены.

На их след навели обнаруженные вокруг "пузырей" тончайшие концентрические "складки" вещества, отстоявшие друг от друга на расстоянии в 35 тысяч световых лет. За самой наружной "складкой" давление и плотность газа резко менялись, что указывало на движение здесь ударной волны, но не сильной, как полагал Риккер, а очень слабой; внутренние же "складки", судя по их данным, были обычными звуковыми волнами внутри ГВС. Расчеты, произведенные на основании всех этих измерений, показали, что каждая очередная "складка" была порождена каким-то выбросом энергии, повторявшимся через каждые 10 миллионов лет. Примерно та же картина была затем обнаружена и в скоплении Девы, только здесь периодичность выбросов оказалась порядка 6 миллионов лет.

Таким образом, "посредник" был найден, как сказали бы в детективном романе, но кто был главным виновником? Кто или что порождало и наполняло энергией эти раздувающиеся "пузыри", которые затем, через серию выбрасываемых ими слабых ударных волн, расходящихся концентрическими кругами, передавали свою энергию газу внутри скопления, тем самым, препятствуя его охлаждению?

В поисках этого виновника шер-лок холмсы от астрофизики немедленно вспомнили о гигантских "черных дырах" в центрах скоплений. Еще четверть века назад теоретики рассчитали, что такие "дыры" должны порождать мощные выбросы вещества и энергии. На первый взгляд это кажется непонятным — ведь "черные дыры" знамениты тем, что они все поглощают и ничего не выбрасывают, даже свет (потому они и "черные"). Но более подробное рассмотрение показывает, что когда на "черную дыру" падает снаружи вещество в виде звезды или потока газа, это вещество по мере приближения к "дыре" начинает вращаться все быстрее и быстрее; его магнитные поля превращают это вращательное движение в линейное, и тогда определенная порция вещества катапультируется обратно в пространство.

Быстро вращающаяся "дыра" (а массивные "дыры" вращаются чуть не со скоростью света) сжимает магнитное поле в падающем веществе так,что оно выбрасывается длинной "карандашной" струей и при этом получает от "дыры" такой мощный толчок, что его струя не расширяется и не теряет сосредоточенной в нем энергии на протяжении доброй сотни тысяч световых лет! Потом, однако, давление газа в струе берет свое, и она расплывается в огромный "пузырь" — именно такой, какой открыли исследователи в центре скоплений.

Теперь, как и положено в детективах, шерлок холмсы могут собрать жадно любопытствующую аудиторию таких докторов ватсонов, как мы с вами, и поведать по порядку, как решается загадка. Горячий газ во внешних областях скопления действительно остывает и стягивается к центру. Там он частично образует звезды, за счет которых растет центральная галактика, а частично продолжает стягиваться дальше, пока не попадает в гравитационное поле центральной "черной дыры". Она долгое время, несколько миллионов лет подряд, его поглощает и за счет этого все более ускоряет свое вращение. В конце концов, "дыра" начинает вращаться так быстро, что, как описано выше, выстреливает две узкие струи в обе стороны, и те, уйдя на изрядное расстояние от "дыры", расплываются в два огромных "пузыря", образующих "песочные часы" около центра скопления.

В свою очередь, эти "пузыри", расплываясь, порождают слабые ударные волны, которые нагревают окружающий газ. Нагретый газ перестает опускаться к центру скопления, и в результате "дыра" лишается "пищи". Она замедляет вращение и переходит в "дремлющее" состояние — до тех пор, пока нагретый газ снова не охладится и не начнет опять стягиваться к центру. Так эта циклическая "машина" каждые 6—10 миллионов лет заново перемешивает газ внутри скопления, тем самым, исключая образование добавочных миллиардов звезд.

Изящное объяснение, не правда ли? Как говорили в старину, "если и не правда, то хорошо придумано". А ведь, может быть, и правда, а? Как жаль, что никак не проверить...

http://www.inauka.ru/space/article77918.html 25,09,2007