Маленькая книга о чёрных дырах

Источник этой энергии – гравитационная потенциальная энергия вещества, обращающегося по орбите вокруг черной дыры. Это та самая потенциальная энергия, с которой мы каждый день сталкиваемся на Земле. Например, именно ее преобразуют в электрический ток гидроэлектростанции. Вода, падающая с большой высоты, отдает свою гравитационную потенциальную энергию, которую электростанции преобразуют в то самое электричество, что заставляет светить наши настольные лампы. В квазарах происходит нечто похожее, только энергия, которую они производят, в миллион триллионов триллионов раз больше той, которую вырабатывает крупная гидроэлектростанция. Когда мы говорим о черных дырах, количество потенциальной энергии, которая может превращаться в другие формы энергии при падении вещества с большого расстояния на ISCO-орбиту, удобно характеризовать как долю потенциальной энергии от общей энергии, соответствующей массе покоя (E = mc²) этого вещества. Эта величина зависит от вращения черной дыры, так как от него зависит положение ISCO-орбиты. Для невращающейся черной дыры она составляет 6 %, возрастая до 42 % для максимально быстро вращающейся[13]. Это огромный процент! Ведь, например, потенциальная энергия воды, падающей с высоты 100 метров, составляет триллионную долю процента от ее общей энергии, соответствующей массе покоя[14]. Наиболее эффективный доступный нам сегодня источник энергии – энергия распада ядер урана в ядерных реакторах. Если полностью использовать все урановое топливо в реакторе, эквивалент выделившейся энергии составит менее 0,1 % массы покоя урана. И все же энергия, выделяемая аккреционным диском, составляет лишь небольшую долю теоретически возможной для черной дыры. Считается, что большинство AGN «работают» с эффективностью, близкой к максимально возможной, но все-таки не равной ей. Главная причина этого вот в чем: когда газ нагревается и начинает излучать гигантскую энергию, тепловое давление в нем становится достаточно большим, чтобы противодействовать центростремительному потоку газа. В результате часть его выбрасывается наружу, образуя подобие звездного ветра.

Когда концепция черных дыр окрепла и астрономы начали соглашаться с тем, что эти объекты могут объяснить природу квазаров, возник естественный вопрос: не могут ли сверхмассивные черные дыры находиться в центрах и тех галактик, которые не имеют активного ядра? Первым такую возможность предположил Линден-Белл в своей статье 1969 года. Такие черные дыры можно было бы назвать «спящими» в том смысле, что вокруг них нет большого количества газа для формирования мощного аккреционного диска, и поэтому они не могут быть такими же яркими, как AGN. В близлежащих галактиках можно измерить доплеровские смещения линий в спектрах звезд, расположенных близ ядер этих галактик. Полученные из этих измерений данные о динамике орбитального движения звезд показывают, что в центральных областях практически всех крупных галактик действительно есть сверхмассивные черные дыры. Это, конечно, верно и для нашего Млечного Пути, центр которого находится достаточно близко к нам, чтобы в его окрестности можно было измерить движение звезд. Из этих измерений получается, что черная дыра в центре нашей Галактики имеет массу примерно в четыре миллиона масс Солнца. На шкале масс сверхмассивных черных дыр это значение ближе к ее нижнему концу, но все же согласуется с размером Млечного Пути (в бóльших галактиках обычно находятся и бóльшие черные дыры). Положение этой черной дыры совпадает с ярким радиоисточником Стрелец A* (или Sgr A*) в созвездии Стрельца. По-видимому, излучение источника Sgr A* порождается аккреционным диском вокруг черной дыры, но по сравнению с обычным AGN Sgr A* выглядит тусклым – наша черная дыра «спит».