Черные дыры и квазары


/З зпіой главе...
Углубляясь в черные дыры
0 квазарах и блазарах
Активные галактические ядра ерные дыры и квазары — это две самые увлекательные и загадочные темы в совре- менной астрономии. Кроме того, оказалось, что между этими объектами существует связь. Об этом я и расскажу в данной главе.
Наверное, вы никогда не увидите черную дыру в свой телескоп. Но могу поспорить на что угодно: как только люди узнают, что вы занимаетесь астрономией, они сразу же начнут вам задавать вопросы о черных дырах. О них я кратко уже упоминал в главе 11, но сейчас мы рассмотрим их подробнее.
Жаинанвенные и неодолимые че/гные qbtfito
Упасть в черную дыру можно, а вот выбраться из нее — нет, даже если очень сильно захотеть. Вы не успеете даже крикнуть "мама!". Инопланетянину повезло, что он попал на Землю, а не в черную дыру, потому что он хотя бы мог позвать на помощь .
Черная дыра (black hole) — это космический объект, имеющий настолько мощную гравитацию, что из него не могут вырваться даже световые лучи; именно поэтому черные дыры невидимые.
Любому объекту, попавшему в черную дыру, нужно больше энергии, чем у него было когда-либо, чтобы вырваться из этой дыры. Формальное название этой "энергии" — скорость убегания (escape velocity). Ракетостроители под термином "скорость убегания" понимают скорость, с которой должна двигаться ракета или любой другой объект, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в межпланетное пространство. Аналогично этот термин применяется к любому объекту во Вселенной (т.е. как скорость преодоления притяжения какого-либо космического объекта).
На Земле скорость убегания (или вторая космическая скорость) равна 11 км/с. Для объектов с более слабой іравитацией нужна меньшая скорость убегания (например, на Марсе она равна всего 5 км/с), а для объектов с более сильной гравитацией — большая (например, на Юпитере она составляет 61 км/с). Но чемпионом Вселенной по скорости убегания всегда будет черная дыра. Ее гравитация настолько велика, что для ее преодоления нужна скорость убегания, превышающая скорость света (т.е. больше 300 ООО км/с). Ничто не может вырваться из черной дыры, даже свет (так как никто и ничто, включая свет, не может двигаться быстрее скорости света.) Типы черных дыр
Ученые обнаруживают черные дыры, когда видят, что газ, вращающийся вокруг них, слишком горячий для нормальных условий. Мы замечаем потоки частиц высокой энергии, которые как будто стремятся избежать попадания в черную дыру, а также звезды, летящие по своим орбитам с невероятной скоростью, как будто движимые чрезвычайно мощным притяжением невидимого объекта колоссальной массы (как оно и есть на самом деле).
Как я уже говорил в главе 11, существует два основных типа черных дыр — черные дыры звездной массы, имеющие массу нормальной звезды, и сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.
Черные дыры промежуточной массы, масса которых составляет 500-1000 масс Солнца, были открыты в 1999 году. Их роль во Вселенной ученые понимают еще хуже, чем черных дыр звездной массы и сверхмассивных черных дыр.
Что у черных дыр внутри?
Черная дыра имеет три части:
У ^ "горизонт событий", или внешняя граница черной дыры по периметру;
II ^ сингулярность, т.е. центр дыры, сформированный за счет предельного сжатия
!: всего вещества, находящегося внутри нее, за исключением:
\\ S вещества, падающего с горизонта событий в сингулярность.
В последующих разделах эти части черной дыры мы рассмотрим более подробно.
Горизонт событий
Горизонт событий (event horizon)— это граница черной дыры (рис. 13.1). Если объект попадает внутрь горизонта событий, то он уже никогда не сможет вырваться из черной дыры и снова стать видимым для наблюдателей, находящихся снаружи. Аналогично те, кто попал внутрь горизонта событий, не видят ничего из того, что находится снаружи.
Размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Например, если удвоить массу черной дыры, то ее горизонт событий станет в два раза шире. Если бы ученые знали способ сжать Землю так, чтобы превратить ее в черную дыру (успокойтесь, мы такого способа не знаем, а если и знали бы, то я вам его не рассказал бы), то ее горизонт событий составил бы всего около 2 см в поперечнике. Основные параметры черных дыр приведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1. Параметры черных дыр Масса черной дыры (солнечных масс) Диаметр черной дыры (км) Комментарии 3 18 Черная дыра наименьшей звездной массы 10 60 100 600 Черная дыра наибольшей звездной массы 1000 6000 Черная дыра промежуточной массы 1 миллион 6 миллионов Черная дыра в центре Млечного Пути 1 миллиард 6 миллиардов Черная дыра в квазаре
Масса малых черных дыр, или черных дыр звездной массы, составляет от трех солнечных масс и выше. Масса сверхмассивных черных дыр в сотни тысяч или даже в несколько миллиардов раз превышает массу Солнца. Черные дыры звездной массы появляются в результате смерти больших звезд, как я описывал в главе 11. А сверхмассивные черные дыры, похоже, находятся в центрах га- лактик и, возможно, образовались за счет слияния множества плотно упакованных звезд примерно в то время, когда происходило формирование галактик. Но наверняка этого не знает никто.
Черных дыр, масса которых меньше трех солнечных, а диаметр — меньше 18 км, пока не обнаружено.
Черная дыра
Сингулярность и падающие объекты
Все, что попадает внутрь горизонта событий, движется вниз по направлению к сингулярности. Здесь оно вливается в сингулярность, которая, по мнению ученых, имеет бесконечную плотность. Мы не знаем, какие законы физики действуют в местах такой колоссальной плотности, какая достигается в точке сингулярности или рядом с ней, поэтому не можем описать характеристики данного места. Это буквально "черная дыра" (или белое пятно?) в наших знаниях.
Некоторые математики считают, что в сингулярности находится так называемая червоточина (wormhole), или пространственно-временной туннель, т.е. переход из черной дыры в другую вселенную. Концепция туннеля вдохновила многих писателей и кинорежиссеров на создание множества фантастических произведений на данную тему. Но цель у них одна— заработать деньги, и больше ничего. Большинство специалистов считают, что никаких туннелей- червоточин не существует. Но даже если бы они существовали, мы не знаем способа ни увидеть их внутри черных дыр, ни проникнуть к ним другим путем. Но есть и другая теория, которая заключается в следующем: там, где гипотетическая червоточина соединяется с другой вселенной, существует белая дыра (white hole), т.е. место, где колоссальная энергия выливается из нашей вселенной в другую. Скорее всего, эта теория тоже неверна, но даже если она верна, то мы должны совершить путешествие в другую вселенную, чтобы увидеть эту белую дыру.
О путешествиях в другие вселенные не может быть и речи (по крайней мере, пока). Но, конечно, у нас есть другая возможность: поискать белые дыры в нашей вселенной, где могут возникнуть туннели из других вселенных. Однако ученые пока ничего подобного не обнаружили. Кто-то когда-то предположил, что квазары — это, возможно, червоточины. Но в настоящее время у ученых есть достаточно хорошая теория квазаров (о ней я расскажу в этой главе), никак не связанная с червоточинами.
Что находится снаружи черной дыры
В реальных небесных объектах, которых, по мнению ученых, можно считать "кандидатами в черные дыры", обычно происходит следующее.
Газообразное вещество, движущееся по направлению к черной дыре, кружится вокруг нее в плоском облаке, называемом аккреционным диском (accretion disk).
Чем ближе газ в аккреционном диске подходит к черной дыре, тем плотнее и горячее он становится.
Газ нагревается, поскольку его сжимает гравитация черной дыры; причина в том, что по мере увеличения плотности газа трение возрастает. (Это похоже на принцип работы кондиционеров воздуха и холодильников: когда газ расширяется, он становится холоднее, а когда сжимается, — горячее.)
Когда газ приближается к черной дыре и нагревается, он ярко светится. Излучение от аккреционного диска может быть разным, но чаще всего — это рентгеновское излучение. Рентгеновские телескопы, такие как новейшая обсерватория на орбите, CHANDRA, регистрируют эти рентгеновские лучи, что позволяет ученым определить черную дыру.
Так что, хотя мы не видим черную дыру в телескоп непосредственно, мы можем заре-гистрировать излучение от аккреционного диска, который вращается вокруг нее, с помощью рентгеновского телескопа, летающего в космосе. Дело в том, что рентгеновские лучи не проходят, слава Богу, через атмосферу Земли, поэтому для их обнаружения астрономы используют телескопы, находящиеся в космосе.
Могут существовать также голые черные дыры, в которые не попадает вращающийся газ. В этом случае астрономы не смогут обнаружить такую дыру, если только она не пройдет прямо перед звездой или галактикой, которую в данный момент наблюдают. Тогда можно предположить, что черная дыра существует, поскольку мы увидим влияние ее гравитации на внешний вид объекта на заднем плане. Но это очень редкое совпадение. Поэтому не очень-то на него рассчитывайте.
Искривления пространства и времени
Черную дыру определяют также как место, где структура пространства и времени сильно искривлена. Прямая линия — ее в физике определяют как путь, по которому свет движется в вакууме, — вблизи черной дыры становится кривой. И по мере приближения объекта к черной дыре с самим временем тоже происходят странные вещи, по крайней мере с точки зрения наблюдателя, находящегося на безопасном расстоянии.
Предположим, что, находясь на безопасном расстоянии, вы запустили автоматический космический зонд в черную дыру. На большой электронной панели сбоку от зонда высвечивается время, которое показывают его бортовые часы.
По мере того как зонд движется к черной дыре, вы наблюдаете за этими часами в телескоп. И вот вы видите, что чем ближе зонд подходит к черной дыре, тем все больше и больше отстают часы, замедляется время. На самом деле вы никогда не увидите момент, когда зонд попадет в черную дыру. Вы увидите, что он становится все краснее и краснее, поскольку мощная гравитация черной дыры смещает свет в красную область спектра. Через некоторое время свет от электронной панели будет смещен в инфракрасный диапазон, который ваши глаза уже не воспримут. (Об эффекте Допплера и красном смещении читайте в главе 11.)
А теперь давайте представим, что вы увидели бы, находясь в самом зонде, направляющемся к черной дыре. (Только не пытайтесь это осуществить на самом деле.) Предположим, вы можете наблюдать за часами внутри зонда. И вот вы, несчастный астронавт, видите, что часы идут вполне нормально. И вам вовсе не кажется, что они хоть немного отстают. Когда вы выглядываете в иллюминатор, чтобы посмотреть на космический корабль-носитель и на звезды, то вам кажется, что на все вокруг действует фиолетовое смещение. И вам самому грустно от мысли о том, что вы никогда не вернетесь домой. Вы очень быстро, почти незаметно для себя, пересекаете невидимую границу вокруг черной дыры. Эта граница — горизонт событий; попав внутрь него, вы уже никогда не увидите ничего, что находится снаружи, как и никто снаружи никогда не увидит вас.
Наблюдателям на корабле-носителе будет казаться, что вы никогда не войдете в черную дыру; им кажется, что вы просто подлетаете все ближе и ближе. Но вы, находясь на космическом зонде, можете сказать, что попали прямо в черную дыру. Конечно, если к этому моменту вы еще сможете что-то сказать (т.е. останетесь в живых). В конце концов, все, что попадает в черную дыру, разрывается на части приливными силами, результатом действия мощнейшей гравитации черной дыры. Вы будете разорваны на части, по меньшей мере, в одном измерении. И, что еще хуже, в двух других пространственных измерениях приливные силы безжалостно вас сожмут.
Если вы войдете в черную дыру "вперед ногами", то вас растянет (если еще не разорвало на части), пока вы не станете достаточно высоким, чтобы стать центральным нападающим баскетбольной сборной (шутка).
Но от живота до спины и от одного бока до другого вас сожмет так же, как невероятное давление в глубинах Земли сжимает уголь, превращая его в алмаз. И даже сильнее.
Черные дыры малой или звездной массы — самые смертоносные, так же как некоторые маленькие паучки ядовитее больших тарантулов. Если вы движетесь в черную дыру звездной массы, то вас разорвет на части и сожмет еще до того, как вы упадете внутрь, и вам не удастся увидеть исчезающую Вселенную перед тем, как все будет кончено. Попасть в сверхмассивную черную дыру совсем не так страшно. Начав падать внутрь горизонта событий, вы увидите меркнущий свет Вселенной, прежде чем вас накроют приливные силы.
Учитывая, что черные дыры окружают нас во Вселенной со всех сторон, становится понятно, почему ученые стараются обнаружить и изучить их, оставаясь при этом на безопасном расстоянии.
Определения квазаров
и^ Существует по меньшей мере два определения квазаров — первоначальное
S Первоначальное определение. Квазар (quasar) — это сложносокращенное слово от выражения "квазизвездный источник радиоизлучения". Под этим термином имеется в виду небесный объект, который излучает сильные радиоволны, но в обычный телескоп (работающий в видимом диапазоне) выглядит как звезда (рис. 13.2).
В этом первоначальном определении квазара нет ничего неправильного, за исключением следующего факта. Как оказалось, изо всех объектов, которые мы сегодня называем квазарами, этому определению соответствуют максимум 10%. А остальные 90% не излучают сильных радиоволн. Такие объекты астрономы называют радиоспокойными квазарами.
Рис. 13.2. Квазар (ниже и левее центра)
I S Современное определение. Квазар — это яркий объект в центре галактики, который производит примерно в 10 триллионов раз больше энергии в секунду, чем р наше Солнце, и чье излучение очень изменчиво во всем диапазоне длин волн.
Через несколько десятилетий поисков ответа на вопрос, что же такое квазары, астрономы пришли к выводу, что они являются "полномочными представителями" гигантских черных дыр в центре галактик. Вещество, попадающее в черную дыру, выделяет колоссальную энергию, и именно эти наблюдаемые источники энергии астрономы и называют квазарами.
Все квазары — мощные источники рентгеновского излучения. Примерно 10% из них излучают сильные радиоволны, и все они излучают в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне. Причем эти излучения меняются с течением недель, месяцев, лет, а иногда даже в течение одного дня.
Тот факт, что блеск квазаров существенно меняется в течение одного дня, дает в руки ученых чрезвычайно важную информацию: это значит, что размер квазара не больше одного светового дня (light-day), т.е. расстояния, которое проходит свет в вакууме за один день. А один световой день — это всего 26 миллиардов километров. Другими словами, квазар, который дает в 10 триллионов раз больше света, чем Солнце, или в 100 раз больше света, чем Млечный Путь, по размерам ненамного больше нашей Солнечной системы, которая составляет крошечную долю галактики.
Если бы размеры квазара намного превышали световой день, то с ним не происходили бы заметные изменения всего за такое короткое время — по аналогии, слон не может хлопать ушами так же быстро, как колибри взмахивает крыльями.
Квазары — это мощные источники радиоволн, в которых часто наблюдаются струйные выбросы частиц (или джеты) (jets)» те- длинные узкие лучи, в которых энергия выбрасывается из квазаров в виде скоростных потоков электронов и, вероятно, других быстрых частиц. Как правило, эти выбросы неравномерны; по всей их длине видны выступающие пятна вещества. И иногда кажется, что эти пятна движутся быстрее скорости света. Это движение со сверхсветовой скоростью (superluminal motion) — иллюзия, связанная с тем, что эти потоки в подобных случаях почти в точности направлены на Землю; вещество в них действительно движется со скоростью, близкой к световой, но не быстрее света. Во многих книгах говорится, что у квазара очень широкие линии в спектре, соответствующие красному и фиолетовому смещениям газа, движущегося внутри квазара со скоростью до 10 ООО км/с. Но это утверждение не всегда верно. Существуют разные типы квазаров, и у некоторых нет широких спектральных линий.
Но широкие спектральные линии— это важная особенность многих квазаров и ключ к разгадке их отношений с другими объектами. (Более подробно об этом я расскажу в следующем разделе.)
Лшпивные галашпичеасие sujfia
В течение многих лет после открытия квазаров астрономы спорили о том, расположены ли они в галактиках. Сегодня мы знаем, что это действительно так, но только потому, что технологии усовершенствовались и можно с помощью телескопа получить изображение, на котором видны и квазар, и галактика вокруг него. Последняя называется материнской галактикой (host galaxy) этого квазара. Поскольку квазар может быть в 100 раз ярче, чем его материнская галактика, или даже еще ярче, он обычно затмевает свою галактику. Исследовать такие галактики можно с помощью цифровых фотоаппаратов, которые позволяют регистрировать звезды в более широком диапазоне яркости, чем обычные "пленочные" фотоаппараты.
Квазары — это высшая форма того, что астрономы сегодня называют активными галактическими ядрами (Active Galactic Nuclei — AGN). Этим термином обозначают центральный объект галактики, когда у него есть, так сказать, свойства квазара: внешний вид очень яркой звезды, очень широкие спектральные линии и заметные изменения блеска.
Вот основные термины, используемые для описания активных галактических ядер.
S Радиогромкие квазары ("первоначальные квазары") и радиоспокойные квазары (90% квазаров или больше). Это квазары, о которых говорилось в предыдущем разделе. Они похожи между собой и отличаются только наличием либо отсутствием сильного радиоволнового излучения. Эти квазары расположены в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь. Правда, в Млечном Пути квазары пока не обнаружены, но есть доказательства наличия в центре галактики черной дыры, масса которой составляет примерно миллион солнечных масс.
S Квазизвездные объекты (Quasistellar Objects — QSO). Это общий термин для обозначения радиогромких и радиоспокойных квазаров. Некоторые астрономы называют и те, и другие квазары просто QSO.
і S Сейфертовские галактики (Seyfert galaxies). В центрах этих спиральных галактик находятся активные галактические ядра (AGN). Сейфертовское AGN во многом напоминает квазар, так как для него характерны широкие спектральные линии и быстрое изменение блеска. Активное галактическое ядро может быть таким же ярким, как его материнская галактика, но не может быть I в 100 раз ярче ее, как квазар. Поэтому сияние сейфертовского AGN не затме- | вает материнскую галактику. j S Оптически переменные квазары (Optically Violently Variable Quasars — I; OVV). Это квазары со струйными выбросами, направленными прямо в сторону : Земли, для которых характерны еще более быстрые и резко выраженные изме- нения блеска, чем для обычных квазаров. Представьте, что несколько пожарных ; стараются направить шланг на человека в горящей одежде. Допустим, давление воды непостоянно, отчего вода выходит толчками, "импульсами". Наблюдате- лям со стороны кажется, что струя воды бьет довольно равномерно, но человек, которого поливают из шланга, чувствует каждое колебание напора воды. Так j вот: OVV — это пожарные шланги в царстве квазаров.
j S Объекты типа BL Ящерицы (лацертиды) (BL Lacertae objects). Объекты | типа BL Ящерицы — это AGN, похожие на звезду BL Ящерицы. Блеск звезды Г BL Ящерицы меняется, и поэтому долгие годы считалось, что это еще одна ^ переменная звезда в созвездии Ящерицы (на фотографиях звездного неба этот | объект выглядит, как звезда). Затем выяснилось, что данный объект — мощ- і ный источник радиоволн; в конце концов его определили как активное ядро материнской галактики, которую оно затмевало своим сиянием.
; В отличие от большинства квазаров, в спектрах объектов типа BL Ящерицы \ нет широких линий. И их радиоволны поляризованы сильнее, чем радиоволны обычных радиогромких квазаров. Термин "поляризация" означает, что колебания волн во время их движения через космическое пространство имеют определенное направление. В то же время неполяризованные волны колеблются одинаково во всех направлениях. Поэтому, чтобы отличить радиогромкий квазар от объекта типа BL Ящерицы, нужно проверить поляризацию.
S Блазары (blazars). Это OVV и объекты типа BL Ящерицы вместе. Этот і термин придумали, чтобы описывать с его помощью объекты обоих ти- - пов. Дело в том, что у OVV и объектов типа BL Ящерицы много общего. И у тех, и у других наблюдается сильное изменение блеска, и их потоки, видимо, направлены прямо в сторону Земли. И все они радиогромкие.
! Действительно ли нам нужен термин "блазары"? Я в этом не уверен. Мой друг д-р Хон-И Чу стал известным в научной среде после того, как придумал тер- ; мин "квазар". А его друг, профессор Эдвард Шпигель, через несколько лет ; изобрел термин "блазар". Если вы откроете новый тип объектов или напишете о нем серьезный научный труд, то тоже сможете дать ему имя. Только преду-
преждаю заранее: делать это, просто добавляя окончание "-ар" к своему имени ; не разрешается. Термин должен описывать свойства объекта, а не астронома.
S Радиогалактики (radio galaxies). Существуют галактики с активными галак- ! тическими ядрами, которые не особенно яркие, но излучают сильные радиоволны. Большинство галактик с самым сильным радиоизлучением — это ги-
; гантские эллиптические галактики. Во многих случаях у них есть лучи или выбросы, которые переносят энергию от AGN к гигантским "выступам" радиоизлучения, где нет звезд, и которые намного дальше и намного больше самой материнской галактики.
Все эти различные типы активных галактических ядер имеют одну общую черту: их питает энергия, которая каким-то образом генерируется вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики.
Рядом со сверхмассивной черной дырой звезды вращаются вокруг центра материнской галактики на огромной скорости. На основании этих скоростей астрономы определяют массу черной дыры. С помощью телескопов, таких как "Хаббл", они определяют скорости вра- щающихся звезд, а иногда— вращающихся газовых облаков, используя эффект Допплера. А затем, зная скорости, определяют массу центрального объекта. Если бы черная дыра была менее массивной, то звезды на определенном расстоянии от центра вращались бы медленнее.
В случае квазара или гигантской радиогалактики эллиптического типа черная дыра обычно достигает миллиарда солнечных масс или даже в несколько раз больше. В сейфертовских галактиках масса черной дыры обычно составляет около миллиона солнечных масс.
Свет AGN возможен только за счет черной дыры, а точнее, за счет массы вещества, попадающего в нее. Чтобы квазар светился, черная дыра должна потреблять 10 солнечных масс вещества в год.
Если же вещество не попадает внутрь черной дыры, то она не обнаружит себя ярким сиянием, радиоизлучением или мощными рентгеновскими лучами. Итак, черные дыры дают свет только тогда, когда они сыты. В центре большинства галактик могут таиться сверхмассивные черные дыры, но в большинстве случаев им не хватает питания. Наверное, поэтому астрономы видят квазары или другие виды AGN в очень немногих галактиках.
Единая модель активного галактического ядра (Unified Model of Active Galactic Nuclei) — это теория, согласно которой все AGN одинаковы, но астрономы наблюдают их с различных стороны относительно аккреционных дисков и струйных выбросов. Кроме того, черные дыры "питаются" с разной скоростью; только по одной этой причине некоторые AGN ярче других. Десятки астрономов пишут статьи о единой модели каждый год, причем одни находят доказательства "за", а другие — "против".
Я думаю, что между различными типами AGN есть реальные отличия, но у них есть и много общих основных свойств. Поэтому, чтобы астрономы могли в конце концов объединиться вокруг теории единой модели или какой-нибудь другой, необходима дополнительная информация.
<< | >>
Источник: Стивен П. Маран. АСТРОНОМИЯ для"ЧАЙНИКОВ". 2004

Еще по теме Черные дыры и квазары:

  1. Лев Шильник. Черные дыры российской империи, 2010
  2. 3.6. Что происходит внутри черной дыры?
  3. 7.2. Мир объективной диалектики
  4. Наше Солнце и другие звезды
  5. Совокупность преступлений.
  6. АКВАН-ДЭВ
  7. Предмет и задачи фонетики.
  8. Пожизненное лишение свободы.
  9. 3.4. О черных дырах и их "метаболическом" поведении
  10. Однородные и неоднородные определения
  11. ХАРИБДА
  12. Обобщающие слова при однородных членах
  13. Общественно опасное деяние.
  14. 8.5. Энтропия и гравитация