Читать книгу "Карта Вселенной - Приямвада Натараджан"

После войны некоторое количество немецких ракет типа «Фау-2» попало в распоряжении отдела по развитию науки и техники (American Science and Engineering Group). Поместив рентгеновские детекторы в носовую часть ракеты и осуществив запуск, ученые смогли впервые взглянуть на картину неба в рентгеновском диапазоне. Первым объектом исследования была выбрана двойная звездная система Скорпион X-1 c нейтронной звездой, обращающейся вокруг звезды обычного типа[10]. Интенсивность рентгеновского излучения этого источника превышает соответствующую интенсивность излучения нашего Солнца в 100 млн раз. Новое окно во Вселенную было полностью открыто. В 1970 г. НАСА осуществило запуск первого спутника, специально сконструированного для проведения измерений рентгеновского излучения. Запуск бы проведен недалеко от кенийского города Момбаса, и в благодарность за помощь со стороны правительства Кении спутник получил название «Ухуру» (в переводе с суахили означает «Свобода»). Спутник позволил получить важную информацию о высокоэнергетическом излучении Вселенной и обнаружить более 300 источников излучения, включающих множество рентгеновских двойных, состоящих из потенциальной черной дыры и нейтронной звезды-партнера, так же как и рентгеновских пульсаров, которые располагались достаточно близко к нам, а некоторые — на достаточно больших расстояниях.

Исследования черных дыр с использованием рентгеновского излучения позволили ученым окончательно убедиться в правильности предлагаемой теории жизненного цикла звезд. За свои пионерские работы, приведшие к обнаружению космических источников рентгеновского излучения, Риккардо Джаккони (США) получил Нобелевскую премию по физике в 2002 г.{19} Большое число космических миссий с аппаратурой разнообразного типа — оптическими камерами (космический телескоп «Хаббл»); инфракрасной техникой (инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS; космический телескоп «Спитцер»; телескоп «Гершель»); детекторами рентгеновского излучения (германская космическая рентгеновская обсерватория ROSAT; телескоп Эйнштейна; спутник ASCA; рентгеновская многозеркальная миссия XMM-Newton) — позволяют нам глубже понять процессы роста и развития черных дыр, а также расширить познания о Вселенной, совершенствуя и повышая чувствительность используемых приборов.

* * *

Открытие и изучение нейтронных звезд, пульсаров и квазаров привело к полному признанию научной общественностью идеи реального существования черных дыр. Еще совсем недавно она казалась излишне радикальной, однако в наши дни множество представителей астрономического сообщества активно участвуют в изучении этих объектов и той роли, которую они играют в формировании галактик. Некоторые из моих исследований направлены на понимание образования черных дыр и их роста во Вселенной. В частности, меня лично очень интересует проблема возникновения самых первых черных дыр, а также механизмы, благодаря которым они позднее превращаются в «бегемотов», которых мы вдруг обнаруживаем «прячущимися» в центрах ближайших галактик. Идея, которую Чандрасекар когда-то предложил научному сообществу, сейчас стала общеизвестной научной парадигмой: самые первые черные дыры представляли собой подобие «трупов» самых первых звезд, которые сформировались во Вселенной. Эти черные дыры, образовавшиеся из остатков звезд (размеры некоторых из них в 10–50 раз превосходили наше Солнце), не должны были становиться столь огромными. Вопреки расчетам сейчас, через миллиарды лет после Большого взрыва, мы обнаруживаем множество квазаров, активно питающихся черных дыр, которые по массе превышают наше Солнце в миллиарды раз.

Каким образом эти крошечные образования, «зародыши» черных дыр за очень короткое время смогли превратиться в чудовищные, сверхмассивные объекты? Компьютерное моделирование показывало, что для наращивания массы им требовалось (при условиях, существовавших в ранней Вселенной) непрерывно поглощать пыль и газ в течение первых 2 млрд лет своей жизни.

Можем ли мы создать каким-либо образом очень массивные первоначальные возмущения, из которых выросли черные дыры? Многие исследователи задумывались над этими вопросами, пытаясь угадать возможный ход процессов раннего периода эволюции Вселенной. В этих поисках принимала участие и я. Вместе с коллегой Джузеппе Лодато мы разработали модель роста черной дыры и смогли показать, что сверхмассивные черные дыры на самом деле могли образоваться в процессе «получил-побежал» (get-go). Драматический процесс быстрой аккреции газа может приводить к образованию гораздо более крупных черных дыр в центрах ранних галактик, чем предполагалось в модели гибели обычной звезды. Астрономы назвали такие объекты черными дырами прямого коллапса. Обнаружилось, что условия ранней Вселенной действительно допускают формирование таких объектов, и я продолжала заниматься этой проблемой совместно с Мартой Волонтери в Парижском астрофизическом институте. Мы изучали процессы развития таких, условно говоря, «беззвездно» рожденных черных дыр. Нам удалось предсказать некоторые уникальные особенности сигнатуры ранних черных дыр, позволяющие проследить процессы их формирования на основании данных, получаемых с наземных телескопов и ожидающихся с предстоящей миссии НАСА космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который планируется к запуску в 2018 г.[11] Моя группа занимается также историей роста представителей еще одного, лишь недавно обнаруженного класса самых больших (недавно открытых так называемых ультра- или сверхмассивных черных дыр), чья масса превышает массу Солнца в десятки миллиардов раз, в близкой Вселенной. Обдумывая вопрос, могут ли черные дыры расти беспрепятственно и бесконечно, мы (совместно с Эзекилем Трейстером) теоретически предсказали существование верхнего предела массы, то есть значения, после которого черная дыра начинает ограничивать собственный дальнейший рост. Нам удалось предсказать существование в космосе таких «бегемотов» еще до их обнаружения астрономами. В нашей работе показано, что физические процессы, соответствующие процессам аккреции, могут ограничивать возрастание черных дыр и поэтому существует максимальный предел их роста во Вселенной.

Определение механизмов возникновения черных дыр является ключевым для понимания их роли в росте и светимости родительских галактик. Дело в том, что поглощаемый черными дырами газ одновременно служит исходным материалом для формирования звезд. Охлаждение газа является критическим условием процесса формирования звезд, поэтому рентгеновское излучение, возникающее при описанном поглощении в двойной системе, может иногда способствовать и нарушениям поступления газа в черную дыру, в результате чего (при некоторых условиях) нагрев газа может даже задерживать рост и формирование звезд. Интересно, что в последнее время наблюдения действительно подтвердили подавления роста звезд в галактиках. Детали взаимодействия черных дыр со своим окружением еще нуждаются в дополнительном исследовании, однако уже сейчас черные дыры можно рассматривать в качестве «силовых станций» Вселенной, которые способны существенно изменять состояние галактик, прекращая формирование новых звезд. Таким образом, эти невидимые агенты, само существование которых представлялось невероятным вызовом для астрономии всего 80 лет назад, вдруг оказались важнейшими участниками процессов формирования галактик. Черные дыры находятся буквально в центре всего, что нас окружает, и они создают новую «карту» нашего понимания процесса собирания галактик. Галактики в процессе роста сталкиваются друг с другом, и при этом неизбежно происходит столкновение их центральных областей, в результате чего черные дыры в конечном итоге сливаются. Астрономы следят за этими процессами, продолжая изучать отдельные особенности и характеристики процесса слияния черных дыр. При этих «предсмертных судорогах» сливающихся черных дыр должен возникать еще один тип нигде и никогда ранее не зарегистрированного излучения, а именно должны излучаться так называемые гравитационные волны[12]. Такие волны — еще одно следствие ОТО Эйнштейна. Гравитационные волны являются, по существу, треморами в пространстве-времени, смещениями, которые генерируются, например, при объединении двух черных дыр. Возможность регистрации гравитационных волн зависит от длительности процессов слияния черных дыр, а также от условий соответствующего окружения области слияния (например, от того, окружена ли эта область газовым облаком или нет).