25.11.2003. - УЧЕНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИ ДОКАЗАЛИ СУЩЕСТВОВАНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР ВО ВСЕЛЕННОЙ

УЧЕНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИ ДОКАЗАЛИ СУЩЕСТВОВАНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР ВО ВСЕЛЕННОЙ

Вопрос о существовании черных дыр по-прежнему остается открытым для многих физиков

Игорь ГОРЮНОВ

На заседании Президиума Российской академии наук с докладом “Поиски черных дыр: новейшие результаты” выступил член-корреспондент РАН Анатолий Черепащук (Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга МГУ). Знакомим читателей с кратким изложением этого сообщения.

РУБРИКОН Черная дыра - это объект, у которого вторая космическая скорость равна скорости света в вакууме (300 тыс. км/с). Представление о черных дырах возникло после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. О темных звездах, у которых гравитация настолько сильна, что они прочно удерживают находящиеся в этой области пространства кванты света, еще в конце XVIII века говорили Митчел и Лаплас.

Черные дыры предсказаны Общей теорией относительности (ОТО) А.Эйнштейна. Согласно ей, они образуются при сжатии проэволюционировавшего ядра звезды, масса которого превышает три массы Солнца. Понятие “черная дыра” в научный обиход ввел в 1968 году американский физик Уилер.

Следует отметить, что в настоящее время ряд физиков и астрофизиков придерживается теорий гравитации, которые отвергают существование черных дыр. На тему наличия или отсутствия черных дыр в природе уже несколько десятилетий идут острые дискуссии в научной среде. Это обстоятельство делает проблему их поиска особенно интригующей и интересной.

В настоящее время проблема поиска черных дыр поставлена на прочную наблюдательную базу. Кстати, впервые на возможность наблюдения черных дыр было указано в работах Я.Зельдовича (1964) и Е.Салпитера (1964), которые показали, что при несферической аккреции (выпадении) вещества на черную дыру, может выделяться огромная энергия, достигающая десятков процентов от энергии покоя вещества. Позднее теория дисковой аккреции вещества на черные дыры и нейтронные звезды была развита в работах Шакуры (1972), Прингла и Риса (1972), Шакуры и Сюняева (1973), Новикова и Торна (1973). К настоящему времени открыто более 200 массивных и чрезвычайно компактных объектов, свойства которых очень похожи на свойства черных дыр.

Астрономам приходится решать две основные задачи. Во-первых, вести поиск массивных (с массой больше трех масс Солнца) и компактных объектов - кандидатов в черные дыры. Это сравнительно легкая задача, и она сейчас успешно решается. Вторая задача труднее - это поиск достаточных наблюдательных критериев того, что эти кандидаты в черные дыры на самом деле являются черными дырами. В решении этой проблемы есть надежды на будущие космические эксперименты (в частности, космический рентгеновский интерферометр, космический эксперимент “Радиоастрон”, который готовится группой Кардашева и будет реализован в течение ближайшего десятилетия), а также на гравитационно-волновые исследования. Как предполагают астрономы, существуют три типа черных дыр: черные дыры звездной массы в диапазоне от 3 до 50 солнечных масс; сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик с массами от миллиона до миллиарда солнечных масс; первичные черные дыры, которые образовались в результате сильных деформаций метрики пространства-времени на ранних стадиях образования Вселенной. В научных кругах также обсуждается вопрос о существовании черных дыр промежуточных масс (от сотен до десятков тысяч солнечных масс), но пока в решении этой проблемы нет окончательной ясности. За последние десять лет в области фиксации черных дыр достигнуты определенные успехи: найдено 20 надежных кандидатов в черные дыры звездной массы и около 200 кандидатов (в основном благодаря эффективной работе космического телескопа "Хаббл") в сверхмассивные черные дыры.

В настоящее время перед астрономами стоят три задачи. Во-первых, измерение масс черных дыр из анализа движения пробных тел (это могут быть звезды, газовые облака и т.д.) в их гравитационном поле. Поскольку характерные расстояния велики по сравнению с гравитационным радиусом, при этом можно использовать закон тяготения Ньютона. Сейчас измерены массы около 200 кандидатов в черные дыры.

Вторая задача более сложная - измерение радиусов черных дыр. С расстояния в несколько тысяч световых лет это очень трудно сделать, поэтому приходится использовать косвенные методы для измерения радиусов черных дыр. В настоящее время ограничения на радиусы черных дыр получаются по быстрой переменности рентгеновского излучения, по профилям рентгеновских линий излучения, а также с помощью прямых наблюдений в радиодиапазоне (радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой). Эти измерения показали, что у многих кандидатов в черные дыры радиусы не превышают 10-100 гравитационных радиусов.

Третья задача самая тяжелая - поиск и фиксация наблюдательных свидетельств наличия горизонта событий для кандидатов в черные дыры. Радиус горизонта событий близок к гравитационному радиусу. На горизонте событий с точки зрения далекого наблюдателя ход времени останавливается.

Как уже отмечалось, к настоящему времени пока нет надежных и достаточных критериев отбора реальных черных дыр из найденных кандидатов в черные дыры. Тем не менее все необходимые наблюдательные критерии отбора черных дыр, вытекающие из ОТО Эйнштейна, выполняются для всех известных 200 кандидатов. Поскольку число таких кандидатов велико, астрономы с некоторой натяжкой называют их просто “черными дырами”.

Черные дыры звездной массы встречаются в так называемых рентгеновских двойных системах, представляющих собой оптическую звезду типа Солнца в паре с нейтронной звездой или черной дырой. Вещество оптической звезды выпадает на черную дыру. Это приводит к образованию мощного рентгеновского излучения, которое и фиксируют астрономы. Систематические рентгеновские наблюдения черных дыр ведутся с 1971 года, когда США запустили специализированный рентгеновский спутник “Ухуру”. С его помощью открыто более 100 рентгеновских двойных систем, состоящих из нормальной оптической звезды и аккрецирующей нейтронной звезды или черной дыры. Эти результаты блестяще подтвердили сделанные ранее предсказания о гигантском энерговыделении при аккреции вещества на нейтронные звезды и черные дыры. Руководил всеми этими работами американец Джиакони - лауреат Нобелевской премии по физике 2002 года за исследования в области рент-геновской астрономии.

Весомый вклад в открытие и исследование черных дыр в рентгеновском диапазоне спектра внесли исследования на советских и российских орбитальных рентгеновских обсерваториях МИР-КВАНТ и ГРАНАТ, выполненные под руководством академика Р.Сюняева.

Под его же руководством в настоящее время осуществляется российская часть исследований черных дыр с борта международной специализированный рентгеновский обсерватории “Интеграл”. Она создана мировым научным сообществом и запущена отечественной ракетой-носителем в октябре 2002 года. Россияне, прежде всего ученые РАН, принимали участие в подготовке этого запуска.

Параллельно с исследованием черных дыр в рентгеновском и гамма-диапазонах ведутся и оптические наблюдения. Так, в работах Лютого, Курочкина, Ефремова, Шакуры, Сюняева, Черепащука, Бакалла были выполнены первые оптические отождествления рентгеновских двойных систем и изучены все типы их оптической переменности. Это позволило развить надежные методы определения масс нейтронных звезд и черных дыр в рентгеновских двойных системах.

Следует отметить, что при открытии и изучении черных дыр рентгеновская и оптическая астрономии прекрасно дополняют друг друга. Земная атмосфера непрозрачна для рентгеновских лучей, и только с помощью орбитальных рентгеновских обсерваторий можно наблюдать рентгеновское излучение от этого объекта (черной дыры). При этом наблюдение мощного источника рентгеновского излучения позволяет высказать предположение, что имеется компактный объект, требующий фиксации. Наземные оптические наблюдения движения спутника (оптической звезды) позволяют измерить массу компактного объекта.

Оптические наблюдения рентгеновских двойных систем помимо советских и российских ученых интенсивно выполнялись их английскими, канадскими и американскими коллегами. Параллельно с изучением черных дыр звездной массы развивались исследования сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик (Шкловский, Линден-Белл, Зельдович, Новиков, Рис, Кардашев, Дибай). В частности, велись работы по определению их массы. К настоящему времени измерены массы 20 массивных (масса больше трех масс Солнца) компактных рентгеновских источников в двойных системах, которые являются надежными кандидатами в черные дыры. Также измерены массы около 200 сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс.

В связи с резким увеличением количества открытых кандидатов в черные дыры (их уже несколько сотен) и необходимостью их систематизации два-три года назад возникла новая наука - демография черных дыр, изучающая распределение черных дыр по массам, по их связям с другими объектами галактик и т.д. В рамках этих исследований выявлена линейная зависимость между массой черной дыры и массой балджа (сферического скопления старых звезд) галактики. Недавно появилось сообщение, что обнаружена зависимость между массой центральной черной дыры и массой галактического гало (скрытая материя, которая себя ничем не проявляет, кроме как гравитацией). Оказалось, что масса центральной черной дыры возрастает с массой гало галактики. Это очень важный аргумент в пользу давно разрабатываемой группой А.Гуревича модели. Согласно этой гипотезе, в начале образования черной дыры было гало из скрытой материи, в котором образовалась глубокая потенциальная яма, и затем туда “сваливалось” обычное барионное вещество, что и приводило к образованию сверхмассивной черной дыры.

Еще один зафиксированный демографией черных дыр нетривиальный, требующий осмысления факт: в диапазоне от двух до четырех масс Солнца не найдено ни нейтронных звезд, ни черных дыр. По какой-то причине эволюция звезд происходит так, что в этом интервале масс не образуется ни нейтронных звезд, ни черных дыр. Если этот наблюдательный факт в будущем подтвердится на большем числе нейтронных звезд и черных дыр, то он потребует серьезной интерпретации.

В целом в ходе проведенных астрономами исследований установлено, что все необходимые условия, накладываемые Общей теорией относительности на наблюдательные проявления черных дыр, выполняются для всех известных 220 кандидатов в черные дыры. Это сильно укрепляет уверенность ученых в том, что эти кандидаты в черные дыры являются реальными черными дырами. Можно надеяться, что будущие эксперименты (космический рент-геновский интерферометр, космический радиоинтерферометр “Радиоастрон”, гравитационно-волновые исследования) позволят окончательно доказать существование черных дыр во Вселенной. Такое доказательство, по-видимому, будет получено, когда удастся зафиксировать столкновение (слияние) черных дыр в двойных системах. Тогда можно будет ответить на вопрос и о том, какова структура пространства-времени вблизи черных дыр.

http://www.inauka.ru/science/article37517.html 25.11.2003