Пульсары и черные дыры

Чтобы объяснить природу черной дыры, необходимо обратиться к анализу путей звездной эволюции. Звезда, подобная Солнцу, вначале сжимается, приближаясь к главной последовательности. После того как температура в ее ядре поднимается до достаточного уровня, начинаются ядерные процессы. Когда запасы ядерного «горючего» уменьшаются, звезда вздувается и становится красным гигантом, после чего сильно сжимается, превращаясь в белого карлика.

Более массивная звезда ведет себя иначе. Когда истощаются запасы ядерного «топлива», она взрывается как сверхновая и заканчивает свой яркий жизненный путь, превратившись в нейтронную звезду, или пульсар, в центре расширяющегося газового облака.

От белого карлика к черной дыре. В белом карлике атомы, так сказать, раздавлены, разрушены и так плотно упакованы, что свободного пространства между ними остается мало. А у нейтронной звезды гравитационное поле настолько сильно, что протоны и электроны вынуждены сливаться, образуя нейтроны; плотность вещества нейтронной звезды намного превосходит плотность белого карлика. Сейчас почти никто не сомневается в том, что источники космического радиоизлучения-«пульсары» действительно являются нейтронными звездами. Пульсар в Крабовидной туманности отождествлен с оптическим объектом, а в 1977 г. австралийские астрономы отождествили еще один пульсар-в созвездии Парусов-с исключительно слабым оптическим объектом звездной величины 26,5.

При сжатии достаточно массивной звезды плотность ее вещества, пройдя через значения, соответствующие стадиям белого карлика и нейтронной звезды, будет продолжать увеличиваться, если в недрах звезды отсутствуют силы, противодействующие ее сжатию под действием гравитации. Звезда становится все меньше и плотнее и в итоге вступает в состояние гравитационного коллапса, когда уже ни один из известных нам физических процессов не способен остановить ее дальнейшее сжатие. Поле тяготения на поверхности тела при этом растет, и вскоре оно сжимается до критического радиуса («радиуса Шварцшильда»), при котором гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет не в состоянии его преодолеть. Это и есть черная дыра-область, проявляющая себя только как центр гравитационного притяжения.

На рисунке показаны относительные размеры красного гиганта, Солнца, белого карлика, нейтронной звезды и черной дыры. На каждой схеме даны отношения размеров; так, диаметр Солнца примерно в 100 раз больше диаметра белого карлика. Нейтронная звезда имеет такую же массу, как и Солнце

Излучение пульсара переменно. При вращении пульсара интенсивность его излучения изменяется в соответствии с положением его магнитной оси (обозначена красным). Когда один из ее концов обращен к Земле (1), излучение максимально. Когда к Земле обращен другой конец (2), излучение минимально

Пульсар в Крабовидной туманности имеет большое значение для астрономии, так как до сих пор с помощью оптического телескопа удалось отыскать всего только два пульсара. Эти фотографии получены на Ликской обсерватории. Пульсар отлично виден на рис. А, но на рис. Б его почти совсем не видно. Полный цикл импульсного излучения занимает всего 33 мс. Сейчас почти не осталось сомнений, что пульсары действительно являются нейтронными звездами

В поисках черных дыр. Наиболее перспективны поиски черных дыр в двойных звездных системах. Поблизости от яркой желтой звезды Капеллы есть маленький треугольник из звезд, так называемые «Козлята». В вершине треугольника находится є Возничего, которую всегда хорошо видно невооруженным глазом, хотя яркой ее назвать и нельзя. В 1821 г. было обнаружено, что она переменна и меняет блеск в пределах 3,3-4,2 звездной величины. Позднее установили, что є Возничего — затменная двойная необычного типа: затмения происходят один раз в 27 лет и продолжаются более 700 суток.

Более яркий член этой пары-желтый сверхгигант очень высокой светимости, в 60000 раз мощнее Солнца. Слабый компонент, который вызывает затмения, никогда не наблюдался; он излучает только в инфракрасном диапазоне. До недавнего времени астрономы считали, что этот спутник должен быть большой холодной звездой, продолжающей сжиматься после конденсации из межзвездного вещества, и недостаточно горячей, чтобы светить за счет ядерных реакций. Теперь, однако, выдвигаются предположения, что инфракрасный компонент системы є Возничего может быть черной дырой.

Этот компонент, по-видимому, имеет массу, равную 23 массам Солнца,-по звездным масштабам это много. При такой массе он должен был бы иметь высокую светимость, но это не так. По мнению американских астрономов А. Дж. У. Камерона и Р. Стотерса, это черная дыра, окруженная облаком твердых частиц, вращающихся по спирали вокруг критической поверхности-так называемого «горизонта событий» - и порождающих инфракрасное излучение, наблюдаемое на Земле. Со временем частицы пересекут горизонт событий и попадут в черную дыру, из которой нет возврата.

Пульсар в Крабовидной туманности излучает на всех длинах волн. На рисунке показаны циклы его импульсов на частотах 200 МГц (А) и 400 МГц (Б), а также в оптическом и рентгеновском (Г) диапазонах. Во всем электромагнитном спектре характеристики излучаемой пульсаром энергии подобны

Когда пульсары были только открыты, предполагалось, что такие сигналы могут излучаться вращающимися белыми карликами. Теперь очевидно, что пульсар-это вращающаяся нейтронная звезда (1), ось вращения которой (2) не совпадает с магнитной осью (3). Вокруг звезды обращается плазменное кольцо (4), излучающее узкие пучки радиоволн (5). За пределами кольца плазма стационарна (6). В настоящее время принято считать, что механизм генерации излучения связан с существованием на некотором расстоянии от нейтронной звезды такой области, где магнитные силовые линии должны были бы двигаться со скоростью света.

Рентгеновские источники. Еще одна вероятная черная дыра-спутник звезды-сверхгиганта в созвездии Лебедя, обозначаемой HDE 226868. Этот спутник-источник рентгеновских лучей; и выдвинуто предположение, что их излучает вещество, падающее на черную дыру и ускоряющееся при этом до исключительно высоких скоростей.

Рентгеновская астрономия возникла недавно (в 1960-х годах), поскольку для таких наблюдений оборудование необходимо поднимать за пределы поглощающих рентгеновское излучение »атмосферных слоев. С тех пор обнаружено множество рентгеновских источников, среди них - Крабовидная туманность. По-видимому, большинство галактических рентгеновских источников-члены двойных звездных систем, представляющие собой нейтронные звезды в парах со звездами-гигантами. Кроме того, существуют так называемые рентгеновские новые, которые вспыхивают, излучают свет в течение нескольких недель или месяцев, а затем ослабевают и исчезают.

Большинство известных рентгеновских источников-члены нашей Галактики и располагаются довольно близко от главной плоскости Млечного Пути, однако в рентгеновском диапазоне излучают и некоторые другие галактики. Среди них следует отметить массивную систему в созвездии Девы, М 87. Она является также источником радиоизлучения.

Развитие астрономии за последние несколько лет происходило поразительно быстро. В 1960 г. квазары и пульсары еще не были обнаружены, а черные дыры представляли только чисто теоретический интерес; рентгеновские исследования едва начинались, и даже радиоастрономия была примитивной по сравнению с современным уровнем.

По современным представлениям, из выступа (2) на голубом сверхгиганте (1) вещество увлекается в черную дыру (3). Из-за малого размера черной дыры вещество не может втекать в нее быстро оно прежде сжимается и чрезвычайно сильно нагревается, становясь при этом мощным источником рентгеновских лучей. Невидимый спутник звезды HDE 226868 в созвездии Лебедя, возможно, является черной дырой с диаметром около 100 км

«Горизонт событий»-это граница черной дыры (черный кружок). Показаны положения нескольких источников света и места, где каждый источник будет находиться мгновение спустя (белые кружки).