Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

4. Сверхмассивные звезды, по задумке Фреда Хойла и Уильяма Фаулера в 1963 г., были очевидными кандидатами на применение новой релятивистской трактовки. Вскоре после этого С. Чандрасекар и Р. Ф. Фейнман разработали теорию пульсации и нестабильности так называемых сверхзвезд. Исходная идея заключалась в том, что их можно сопоставить с ядрами галактик и источниками энергии для квазизвездных объектов, квазаров, отрытых незадолго до этого. Предполагалось, что они состоят из горячей плазмы и обладают меньшей плотностью, чем обычные звезды, удерживая равновесие давлением света – фотонами, почти полностью запертыми внутри. Их вероятные массы оценивались в интервале от тысячи до миллиарда солнечных масс. (Мы неоднократно употребляли ранее слово «плазма» в качестве обозначения газообразной среды, содержащей большое количество свободных положительных и отрицательных электрических зарядов, таких как наша ионосфера, или, как в данном случае, газов, где протекает реакция ядерного синтеза.)

5. Релятивистские звездные скопления – среди скоплений, упакованных настолько плотно, что их поведение невозможно объяснить с помощью ньютоновской физики, также могут найтись свои кандидаты. Они анализировались в 1965 г. Яковом Борисовичем Зельдовичем и М. А. Подурцем. В 1968 г. Дж. Р. Ипсер показал, каким образом скопление, ставшее достаточно большим, может начать коллапсировать с образованием черной дыры. Необходимо отметить, что чем бо́льшая масса пакуется в черную дыру, тем меньше предел минимальной требуемой для упаковки плотности вещества.

Вот и весь перечень, каким он выглядел на 1970 г. или около того. В общем, хотя астроном того времени знал, что каждая звезда, обладающая более чем примерно тремя солнечными массами, теоретически должна коллапсировать с образованием черной дыры, количество упоминаний об этом в астрономической литературе было относительно невелико. Существует множество звезд, о которых достоверно известно, что их массы превышают три солнечные. Создаваемая ими гравитация уравновешивается внутренним давлением, возникающим в результате ядерных реакций, и долгое время считалось само собой разумеющимся, что после остановки ядерных процессов должен произойти взрыв, который сократит центральную массу до величины меньше критической, с вероятным образованием белого карлика. Короче говоря, к черным дырам, как полагали многие, не стоит относиться слишком серьезно.

Не все придерживались такого мнения. В 1964 г. Я. Б. Зельдович и О. Х. Гусейнов начали поиск черных дыр путем выявления в звездных каталогах спектрально-двойных звезд только с одним видимым компонентом. Их массы поддаются оценке, и двое ученых искали такие пары, когда масса невидимого компонента превышала бы три солнечные. Они понимали, что черная дыра, обращающаяся вокруг звезды, должна стягивать на себя ее газ, образуя вихревой поток, набирающий все более и более высокую скорость, а турбулентность разогретого газа должна была порождать периодические вспышки генерируемого при этом рентгеновского излучения. Наиболее вероятным кандидатом представлялся источник рентгеновского излучения Лебедь X-1, поскольку он обращался вокруг другой звезды, как это было в случае некоторых других нейтронных звезд, являющихся источниками рентгеновского излучения, но отличался от них в нескольких важных аспектах. Его рентгеновское излучение отличалось непостоянством, а масса, оцениваемая в более чем шесть солнечных масс, была слишком велика для нейтронной звезды или белого карлика. В течение нескольких лет данные продолжали оставаться в высшей степени неопределенными и шли ожесточенные споры по поводу их интерпретации, но отношение к ним медленно менялось, и сам факт существования этой дискуссии помог создать атмосферу, благоприятную для признания существования черных дыр. Имелись и другие соображения, готовые ворваться в эту полемику, и хотя они пришли из высоких теоретических сфер, вызванные ими последствия оказались совершенно неожиданными. Это касается, например, других способов обнаружения черных дыр.

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

В 1980‐х гг., параллельно с поисками черных дыр, представляющих собой своеобразные звездные надгробия (это объекты с радиусами, значительно меньше ста километров), начала открываться еще более впечатляющая исследовательская перспектива. Вихри из газа и звезд в центрах многих галактик, как стало ясно, могут окружать черные дыры с массами, превышающими не полдюжины, а много миллионов солнечных масс. Согласно сделанному выводу, их можно уподобить квазарам, и обнаружить по меньшей мере двумя способами: по искривлению света в их окрестностях, что согласуется с общей теорией относительности; и по скоростям движения близкорасположенных звезд и газа. Нашли несколько претендентов, например галактика М87 в скоплении Девы – гигантская галактика, в центре которой, как известно, находится темная масса; и даже наша массивная и хорошо знакомая соседка М31 в созвездии Андромеда часто рекомендовалась для изучения. Радиоастрономы, используя интерферометры (о них мы говорили в главе 18), начали картографировать центры галактик с гораздо большей точностью, чем это можно было бы сделать оптическими средствами (даже с помощью космического телескопа «Хаббл»), и изучать соседнюю галактику NGC 4258; ее газовый диск, вращающийся вокруг центра, свидетельствовал о возможном существовании черной дыры в 36 миллионов солнечных масс. На основании этих данных, которые иногда приписывали действию квазаров, возник вопрос, а не стоит ли нам обратиться к нашей собственной Галактике, где квазары уж точно отсутствуют?

В 1988 г. физик Чарльз Таунс из Университета Беркли (штат Калифорния) с коллегами, в том числе со своим докторантом Рейнхардом Генцелем из Мюнхена, высказали предположение, что в центре нашей Галактики находится массивная черная дыра. Таунс и Генцель оценили массу предполагаемой черной дыры в ядре нашей Галактики в 4 миллиона солнечных масс (впоследствии это значение было снижено до 3 миллионов), основываясь на изучении инфракрасного излучения движущихся вокруг него ионизированных водородных газовых облаков. Сама идея в целом встретила возражения в профессиональных кругах на том основании, что выбранный объект, радиоисточник Стрельца А*, излучал менее одной десятитысячной доли от ожидаемого излучения газа, втекающего в такую громадную черную дыру. В итоге ранние оценки ожидаемого излучения были пересмотрены Элиотом Куатартом (также из Беркли). Согласно его результатам, газ, текущий в направлении черной дыры, не весь проходит сквозь ее горизонт, увеличивая дыру, как считали ранее, бо́льшая его часть образует аккреционный диск и выбрасывается вовне в виде джетов.

В течение более десяти лет сама идея звучала слишком неубедительно для широкого астрономического сообщества, но наконец удалось получить требуемое доказательство. В 2002 г. Генцель с коллегами по Институту внеземной физики Общества Макса Планка в Мюнхене сделал доклад о практически неоспоримом новом подтверждении того, что их команда была права. Используя Очень Большой Телескоп (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили, Генцель провел более десяти лет, отслеживая звезду под названием S2, обращающуюся вокруг центра нашей Галактики по орбите с очень большим эксцентриситетом. Только с изобретением системы адаптивной оптики (см. об этом выше на с. 917) оказалось возможным выявлять отдельные звезды с достаточно малыми периодами обращения, что сделало осуществимым проведение подобных исследований в течение относительно короткого времени. Период обращения указанной звезды составлял всего лишь 15,5 года. Теоретически полученная масса объекта, вокруг которого она обращалась, оказалась равна примерно трем миллионам солнечных масс, то есть была в точности такой, как ожидалось. По большой скорости звезды S2, когда она подходила к близким окрестностям радиоисточника Стрелец А*, указанная команда астрономов наконец получила возможность идентифицировать этот объект с черной дырой, находящейся в галактическом центре. Радиус Шварцшильда черной дыры, обладающей массой в 3 миллиона солнечных масс, равен примерно десяти расстояниям от Земли до Солнца, а звезда приближалась к этому объекту на расстояние, превышающее радиус орбиты Плутона примерно в три раза.

Поскольку было известно, что существует еще двадцать или тридцать объектов, движущихся на еще более близких расстояниях от галактического ядра, чем S2, это открытие сразу же породило новую исследовательскую программу с использованием спутниковой инфракрасной