Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Рис. 13.1. Схематический рисунок быстро вращающейся нейтронной звезды, испускающей электромагнитное излучение вдоль своей магнитной оси. Считается, что именно такая конфигурация, для которой характерны значительная плотность, сильная намагниченность и высокая энергия, порождает феномен пульсара. (Материалы любезно предоставлены Roy Smits, Wikipedia Commons.)

Подобно белым карликам, нейтронные звезды могут становиться очень «энергичными», когда находятся в тесной парной связи с другими звездами, более близкими к нормальным. Подобно тяготению белого карлика, мощная гравитация нейтронной звезды поглощает внешнюю атмосферу звезды-спутника. Только в данном случае риск намного выше, поскольку нейтронная звезда, в сравнении с белым карликом, обладает поверхностной гравитацией, которая больше в 300 000 раз. В итоге происходят взрывы такой силы, что они могут объяснить ряд наиболее колоссальных выбросов энергии, случившихся в космосе. Эти самые экстремальные из так называемых катаклизмических переменных излучают свои тревожные сигналы как в рентгеновском, так и в гамма-диапазоне.

Черные дыры

Общее определение черной дыры — это область в пространстве, из которой не может вырваться ничто, даже свет. Другими словами, чтобы выбраться из нее, пришлось бы двигаться быстрее скорости света. Считается, что такие скорости физически невозможны.

Черной дырой может стать любой материальный сгусток. Самое сложное — это сжать его настолько сильно, чтобы все его вещество уместилось в пределах горизонта событий черной дыры, где гравитационная энергия едва способна сдержать кинетическую энергию любого фотона. У невращающейся черной дыры горизонт событий соответствует гравитационному радиусу, или радиусу Шварцшильда (R_S), который можно выразить в виде формулы: R_S = (2 ∙ G ∙ M) / c²,

где M — масса сгустка, G — гравитационная постоянная, или постоянная Ньютона, а c — скорость света. Если бы вы захотели превратить Землю в черную дыру, вам пришлось бы сжимать ее до тех пор, пока она не поместилась бы в сфере, радиус которой равнялся бы девяти миллиметрам — это радиус небольшого шарика. Совершить нечто подобное вам не позволят прочные электрохимические связи, характерные для каменистых недр нашей планеты. Для Солнца радиус Шварцшильда — три километра. Но наша звезда никогда его не достигнет, поскольку максимальный предел, до которого она может сжаться, став при этом белым карликом, совпадает с размерами Земли, а на то, чтобы коллапс продолжился, у нее просто не хватит массы.

Черные дыры звездной массы

Бездействующие ядра звезд с массой от 3 до 30 M_⊙ могут сжаться еще сильнее, чем у белого карлика и нейтронной звезды, и превратиться в черные дыры. Так происходит потому, что вырожденные электроны в белом карлике и вырожденные нейтроны в нейтронной звезде не могут создать достаточное давление, способное противостоять сокрушительной гравитации этих более массивных ядер. Считается, что бездействующие ядра белого карлика и нейтронной звезды, миновав соответствующие им радиусы Шварцшильда (от 9 до 30 км), взрываются вовнутрь и исчезают внутри своих горизонтов событий. О том, что происходит внутри горизонта событий, можно только догадываться. Достигает ли материя, взорвавшаяся вовнутрь, гравитационной сингулярности, когда вся масса содержится в нулевом объеме? Это бессмысленное состояние подразумевало бы бесконечную плотность, которую большинство физиков открыто осуждают. Возможно, если мы допустим, что внутри горизонта событий сильно искривляется пространство-время, эту дилемму можно будет обсуждать. Физики говорят, что, несмотря на любые события, могущие происходить в этой «зоне полной неизвестности», у черной дыры все равно проявятся масса, заряд (если он будет) и угловой момент. В частности, именно первая характеристика из перечисленных позволяет астрономам с уверенностью делать предположения о присутствии в космосе черных дыр звездной массы.

Посмотрим, что покажет спектр звезды, которая некогда была нормальной. Если на спектральных линиях поглощения видны периодические доплеровские смещения, заметные в изменении длины волны, астрономы могут сделать вывод, что звезда входит в двойную систему наравне со своим невидимым спутником. И если предполагаемая динамическая масса этого спутника превышает 3 M_⊙, то перед нами, скорее всего, черная дыра звездной массы.