От чёрных облаков к чёрным дырам - Нарликар Джаиант (читать книги без регистрации полные txt) 📗
При таком подходе возникает, однако, неопределённость. То, что было сказано до сих пор о чёрных дырах, относится и к нейтронным звёздам. Если звезда В на рис. 68 является нейтронной звездой, она также будет образовывать вокруг себя диск аккреции, испускающий рентгеновское излучение.
Таким образом, если мы и обнаружим рентгеновский источник, связанный с двойной системой, в которой одна звезда видима, то все что мы можем сказать, это то, что другая звезда является либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой. Но как узнать, с чем мы имеем дело?
Именно здесь и следует вспомнить о пределе на массу, равном 2М☉, для стабильных нейтронных звёзд. Если по наблюдениям движения видимой компоненты А мы можем определить массу её компаньона В и если эта масса окажется меньше 2М☉, мы можем сделать вывод, что В является нейтронной звездой. Но если окажется, что масса В существенно больше 2М☉, есть основания полагать, что мы имеем дело с чёрной дырой. На практике массу В нельзя определить точно, но наблюдения параметров орбиты А позволяют установить пределы возможных значений массы В.
Дополнительной проверкой может стать регистрация флуктуаций рентгеновского излучения от двойного источника. Чем быстрее флуктуации, тем меньше диск аккреции. Поскольку чёрные дыры более компактны, чем нейтронные звёзды, их диски аккреции соответственно несколько меньше. Таким образом, от чёрной дыры следует ожидать возникновения очень быстрых вариаций рентгеновского излучения.
В табл. 7 приведены данные о нескольких двойные рентгеновских источниках в Галактике. Заметим, что в большинстве случаев оценки массы звезды В лучше всего согласуются с тем, что это — нейтронная звезда. Таблица 7. Двойные рентгеновские звёзды в Галактике1291 Рентгеновский источник Пределы на массу
компактной компоненты
в единицах М☉ 3U 0900—40 1,6—2,4 Cen Х-3 (Центавр Х-3) 0,7—4,4 Her Х-1 (Геркулес Х-1) 0,4—2,2 3U 1700—37 0,6-? Cyg Х-1 (Лебедь Х-1) 6—15
1291 Приведён список лишь тех источников, для которых достаточно хорошо известны пределы на массу.
Лишь в двух случаях в этой таблице мы видим некоторые указания, что В — чёрная дыра. Больше всего обсуждается источник Лебедь Х-1. Это бинарный источник с периодом 5, 6 дней. Звезда А в нём имеет массу не менее 9М☉, а звезда В — массу по крайней мере в 6 раз больше массы Солнца. Вдобавок, очень короткий период вариаций интенсивности рентгеновского излучения (около одной тысячной доли секунды) указывает, что диск весьма компактен и поэтому, скорее всего, окружает чёрную дыру, а не нейтронную звезду.
Итак, представляется, что Лебедь Х-1 является единственным хорошим случаем наблюдения чёрной дыры. Как и всякое косвенное свидетельство, это тоже вызывает некоторые сомнения, и некоторые скептики считают, что до сих пор нет ни одного надёжного свидетельства в пользу существования чёрных дыр. Но при этом к настоящему времени не предложено ни одного приемлемого объяснения феномена Лебедь Х-1 без привлечения чёрной дыры. Поэтому те, кто поддерживает интерпретацию явления как свидетельство в пользу чёрной дыры, могут с полным основанием заявить, что так как эта точка зрения единственно приемлемая, к ней надо относиться серьёзно.
Помимо двойных систем, чёрные дыры исследовались теоретиками с различных точек зрения. Так как чёрная дыра представляет собой очень плотно сконцентрированное вещество, оно собирает на себя гравитационными силами вещество окружающей среды и может стать мощным источником энергии. Например, если сверхмассивная чёрная дыра массой в миллионы солнечных масс вращается вокруг своей оси, она будет собирать окружающее вещество в толстый диск аккреции (рис. 69), который будет мощно излучать. Многие теоретики считают, что такой источник ответствен за излучение квазаров — объектов за пределами нашей Галактики, напоминающих звёзды по внешнему виду, но являющихся неизмеримо более мощными излучателями энергии.
Рис. 69. Заштрихованные области показывают разрез толстого диска аккреции, образовавшегося вокруг вращающейся в центре чёрной дыры
Пример с квазарами иллюстрирует важность гравитации как резервуара энергии. В то время как большинство звёзд для поддержания светимости используют термоядерные реакторы в своих недрах, для квазаров это не годится. Их светимость намного больше, чем у звёзд, но сами они значительно компактнее. Их энергетические машины должны быть очень компактными, мощными и эффективными. Похоже, что этим требованиям удовлетворяют сверхмассивные чёрные дыры.
В связи с этим следует, однако, заметить, что всякая новая теоретическая идея, чтобы быть научно состоятельной, должна удовлетворять двум критериям: 1) она должна объяснить наблюдаемые факты; 2) должна существовать возможность показать, что наблюдаемые факты нельзя объяснить никаким другим известным способом.
В настоящее время кажется, что идея о существовании чёрных дыр прекрасно удовлетворяет первому критерию и в меньшей степени — второму.
Глава 11 ПОИСК ПРОДОЛЖАЕТСЯ
Мы завершили нашу звёздную одиссею. Пользуясь методом Пурны для изучения людей, описанным в гл. 1, мы смогли построить разумно согласованную картину того, как образуются звёзды, почему и как долго они светят, почему меняют свой внешний вид и, наконец, как они завершают свою жизнь. В основе понимания звёзд лежат законы ядерной физики и гравитации.
Но в этой истории остались существенные пробелы, которые все ещё предстоит заполнить. Перечислим их.
Изложенная в гл. 5 картина происхождения Солнечной системы не совсем удовлетворительна. Главная проблема заключается в том, что угловой момент самого Солнца много меньше углового момента планетной системы. Мы отмечали эту трудность в гл. 5 и там же предложили её решение с помощью магнитного поля. Но есть и другая проблема. Направление вращения Солнца и среднее направление вращения планет не совпадают; угол между этими направлениями равен примерно 7 градусов и это трудно объяснить в рамках гипотезы сокращения. Недавно астроном Томми Голд предложил альтернативное решение проблемы. Голд привёл убедительные аргументы в пользу того, что звезда типа Солнца может образоваться за счёт аккреции вещества плотной нейтронной звездой. Хотя сначала звезда может вращаться очень быстро, постепенно в процессе накопления вещества и внутренней перестройки она расширяется, становясь звездой главной последовательности, и в процессе этого её вращение замедляется. Пока ещё рано судить о преимуществах этой новой идеи.
Вторая проблема тоже имеет отношение к Солнцу, той звезде, которую нам следует знать лучше всего. Как обсуждалось в гл. 6, а настоящее время Солнце генерирует энергию за счёт p—p-цепочки реакций в его недрах. В этой цепочке образуется большой поток нейтрино. Эти частицы могут легко выбраться из глубин Солнца наружу, так как они практически не обращают внимания на окружающее вещество. (В противоположность этому фотоны многократно отклоняются от своего пути, прежде чем в конце концов покинуть поверхность Солнца.)
В 1970 г. Дэвис с помощью детектора нейтрино, расположенного глубоко под землёй, осуществил эксперимент по детектированию нейтрино, приходящих ют Солнца. Результаты разочаровали теоретиков. Детектор не зарегистрировал того числа нейтрино от Солнца, которое предсказывается теорией ядерного синтеза. Была зарегистрирована всего лишь одна четверть от предсказанного числа нейтрино, и это расхождение достаточно серьёзно, чтобы вызывать беспокойство. Работает ли детектор должным образом? А может быть, теория не совсем правильна? Или наше понимание свойств нейтрино недостаточно?
