Чтение онлайн

Все четыре способа образования струй (устья в газовых областях, ветер с воронок, завихрение силовых линий, захваченных полем, и процесс Блэнд форда—Знаека), возможно, в разной степени действуют в квазарах, радиогалактиках и в центрах некоторых других своеобразных галактик (называемых галактиками с активными ядрами).

***

Если квазары и радиогалактики черпают энергию от одного и того же механизма — черной дыры, почему они настолько различны? Почему свет от квазара кажется приходящим от ярко светящегося звездоподобного источника размером в 1 световой месяц или даже меньше, тогда как свет от радиогалактики приходит от скопления звезд подобного Млечному Пути размером в 100000 световых лет?

В действительности квазары почти наверняка не сильно отличаются от радиогалактик — их центральное ядро также окружено звездной галактикой размером в 100000 световых лет. Однако в квазарах центральная черная дыра особенно интенсивно питается аккрецирующим газом (рис. 9.8), и разогрев под действием трения, соответственно, очень силен. Этот ужасный жар заставляет диск светиться настолько ярко, что его оптическое свечение в сотни и тысячи раз больше, чем у всех окружающих звезд в этой галактике вместе взятых. Астрономы, ослепленные сиянием диска, не могут видеть других звезд галактики, и поэтому объект выглядит как «квазизвезда» (т. е. подобная звезде крошечная яркая световая точка), а не как галактика.68

Внутренняя область диска настолько горяча, что испускает рентгеновские лучи; чуть дальше диск холоднее и испускает ультрафиолетовое излучение; еще дальше оптическое излучение (видимый свет); а самые внешние области еще холоднее и испускают инфракрасное излучение. Область, излучающая в световом диапазоне, обычно имеет размер около одного светового года, хотя иногда, например в 3C273, она может быть размером в световой месяц или еще меньше и потому может менять светимость за периоды длительностью не больше месяца. Большая часть рентгеновского и ультрафиолетового излучения, вырывающегося из внутренних областей, сталкивается с газовыми облаками

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

и нагревает их на расстоянии нескольких световых лет от диска — именно эти нагретые облака излучают спектральные линии, которые позволили открыть квазары. Намагниченный ветер, дующий от диска в некоторых, но не во всех, квазарах может быть достаточно сильным и достаточно хорошо сколлимированным, чтобы образовать радиоизлучающие струи.

В радиогалактиках, в отличие от квазаров, центральный аккреционный диск предположительно относительно малоподвижен. Эта малоподвижность означает малое трение, а потому слабый нагрев и низкую светимость и, следовательно, диск светит не так ярко, как остальная галактика. Поэтому астрономы видят в оптические телескопы галактику, а не диск. Однако диск, вращающаяся черная дыра и магнитные поля, пронизывающие черную дыру, вместе порождают сильные струи, вероятно так, как это показано на рис.9.7г (процесс Блэндфор-да—Знаека), и эти струи извергаются из галактики в межгалактическое пространство, где питают энергией гигантские галактические радиоизлучающие лепестки.

***

Эти объяснения квазаров и радиогалактик, опирающиеся на черные дыры, настолько удачны, что возникает искушение заключить, что они должны быть правильными, а галактические струи являются уникальными подписями, кричащими нам: «Я иду от черной дыры!» Однако астрофизики более осторожны. Они хотели бы иметь абсолютно железный случай. Все еще остается возможность объяснить все наблюдаемые свойства радиогалактик и квазаров, используя альтернативный, без черной дыры, механизм: быстро вращающаяся, намагниченная сверхмассивнная звезда, в миллионы или миллиарды раз более тяжелая, чем Солнце, — тип звезд, никогда не наблюдавшийся астрономами, но которые, как предполагает теория, могут образовываться в ядрах галактик. Подобные сверхмассивные звезды должны вести себя во многом так же, как аккреционный диск. Сжимаясь до меньшего размера (но до размера все же большего, чем критическая окружность), они должны высвобождать колоссальное количество гравитационной энергии — эта энергия через трение может нагревать звезду настолько, что она начинает ярко светить подобно аккреционному диску, а магнитные силовые линии, привязанные к звезде, могут вращаться и струями выбрасывать плазму.

Может оказаться, что некоторые радиогалактики и квазары черпают энергию от таких сверхмассивных звезд. Однако физические законы

настаивают, что подобная звезда должна непрерывно сжиматься до все меньшего и меньшего объема, а затем, при достижении критической окружности, схлопнуться с образованием черной дыры. Полное время жизни звезды до момента схлопывания должно быть намного меньше, чем возраст Вселенной. Это предполагает, что хотя самые молодые радиогалактики и квазары могли бы управляться сверхмассивными звездами, более старые почти всегда питаются от гигантских черных дыр почти наверняка, но не абсолютно точно. Эти агрументы не являются вполне железными.

***

Насколько распространены черные дыры? Свидетельства, постепенно собранные в 1980-е годы, предполагают, что такие черные дыры населяют не только ядра большинства квазаров и радиогалактик, но и ядра большинства больших обычных (не радио) галактик, подобных нашему Млечному Пути и Туманности Андромеды, и даже ядра некоторых малых галактик, подробных карликовым спутникам Туманности Андромеды, М32. В обычных галактиках (Млечный Путь, Туманность Андромеды, М32) черная дыра предположительно либо вообще не окружена аккреционным диском, либо окружена диском очень разреженным, излучающим мало энергии.

Свидетельства присутствия подобной черной дыры в нашем Млечном Пути (к 1993 г.) пока неоднозначны и далеко не прочны. Одно из ключевых мест этих свидетельств заключается в орбитальном движении облаков газа вблизи центра нашей галактики. Инфракрасные наблюдения этих облаков, проведенные Чарльзом Таунсом с коллегами из Университета Калифорнии в Беркли, показали, что облака обращаются вокруг объекта, имеющего массу около 3 миллионов солнечных масс, а радионаблюдения открыли очень характерный, хотя и не слишком сильный, радиоисточник на месте этого центрального объекта — радиоисточник на удивление малого размера, не больше нашей Солнечной системы. Это как раз те данные наблюдений, которые можно было бы ожидать от неподвижной черной дыры в 3 миллиона солнечных масс с тонким аккреционным диском, но они также легко могут быть объяснены и по-другому.

***

Возможность того, что гигантские черные дыры могут существовать и населять ядра галактик, стала оглушительным сюрпризом для астрономов. Однако ретроспективно нетрудно понять, как они могли бы там формироваться.

В любой галактике, если две звезды проходят близко друг к другу, гравитационные поля сначала их разворачивают, а затем разбрасывают в направлениях отличных от первоначального. (Тот же поворот и последующий разлет изменяет орбиты космических аппаратов NASA при их встрече с планетами, например с Юпитером.) При развороте и разлете одна из звезд обычно улетает внутрь, к центру галактики, а другая наружу, от центра. Суммарный эффект многих подобных разворотов и разлетов состоит в перемещении некоторых звезд галактики глубже к ядру. Точно так же оказывается, что совокупным эффектом трения галактического межзвездного газа является смещение его значительной части к ядру галактики.

Чем больше газа и звезд накапливается в ядре, тем сильнее становится гравитация агломерата. В конечном счете, гравитация агломерата может стать настолько прочной, что сокрушит внутреннее давление, и агломерат начнет схлопываться с образованием гигантской черной дыры. Кроме того, массивные звезды в агломерате могут схлопываться по отдельности, образуя меньшие дыры, и эти малые дыры могут сталкиваться друг с другом, с другими звездами и газом, образуя все большие и большие дыры, пока не сформируется единственная гигантская дыра, доминирующая в ядре. Оценки времени, требующегося для таких схлопываний, столкновений и слияний, показывают, что возможно (но не обязательно), что большинство галактик уже успели вырастить в своих ядрах гигантские черные дыры.

Если бы астрономические наблюдения настоятельно не показывали, что ядра галактик населены гигантскими черными дырами, то астрофизики даже сегодня, вероятно, не предсказали бы их. Однако так как наблюдения действительно свидетельствуют о существовании гигантских черных дыр, астрофизики легко приспособились к этому факту. Этот показательный пример свидетельствует о том, насколько плохо мы в действительности понимаем процессы, происходящие в ядрах галактик.

***

А что в будущем? Не стоит ли нам начать волноваться, что гигантская дыра в ядре нашего Млечного Пути может проглотить Землю? Несколько чисел помогут нам расслабиться. Центральная дыра нашей галактики (если она действительно существует) имеет массу приблизительно в 3 миллиона солнечных и, таким образом, имеет окружность приблизительно равную 50 миллионам километров, или 200 световых секунд — около одной десятой окружности орбиты Земли вокруг Солнца. Это ничтожный размер по сравнению с размером самой галактики. Наша Земля вместе с Солнцем обращается вокруг центра галактики по орбите с окружностью 200000 световых лет, что приблизительно в 30 миллиардов раз больше, чем окружность дыры. Если бы дыра проглотила, в конечном счете, большую часть массы галактики, ее окружность распухла бы только приблизительно до 1 светового года, что все еще в 200000 раз меньше, чем наша орбита.