Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 58

РИС. 13.6. Звезда HDE 226868. Эта видимая звезда, связанная с источником Лебедь Х-1, - горячая голубая звезда, находящаяся от нас на расстоянии 10000 световых лет. Изучая эту звезду, астрономы пришли к заключению, что масса Лебедя Х-1, вероятно, превышает 8 солнечных масс. (Национальное географическое общество и Служба картографирования неба Паломарской обсерватории. С разрешения обсерватории им. Хейла.)

Выяснилось, что источник Лебедь Х-1 связан с горячей (25000 К) голубой звездой HDE 226868 (рис. 13.6). Эта звезда спектрально-двойная, и линии её спектра смещаются то в ту, то в другую сторону с периодом около 5,5 сут. Горячие голубые звёзды обычно имеют очень большие массы. Масса звезды HDE 226868, по-видимому, превышает 20 солнечных. По наблюдениям сдвига спектральных линий и в предположении, что масса видимой звезды равна 20 массам Солнца, можно рассчитать достаточно надёжные пределы для массы самого источника Лебедь Х-1. Этот объект должен иметь массу по крайней мере 8 солнечных масс! Поскольку это значение, бесспорно, превышает предельную массу нейтронной звезды, то представляется вполне резонным заключение о том, что Лебедь Х-1-это чёрная дыра!

Всё, что мы знаем о Лебеде Х-1, можно объяснить и понять в рамках модели чёрной дыры в центре диска аккреции. Хотя это и не доказывает того, что Лебедь Х-1 действительно является чёрной дырой, подавляющее большинство данных говорит в пользу их истолкования, в рамках гипотезы о чёрной дыре, хотя ряд астрономов продолжают сомневаться в этом.

Следует подчеркнуть, что отождествление Лебедя Х-1 с чёрной дырой критически зависит от «негативных» доводов (например: это не может быть белый карлик; это не может быть нейтронная звезда). Позитивные доводы были бы намного сильнее. Какие именно наблюдения Лебедя Х-1 (или другой аналогичной системы) могли бы доказать, что это обязательно чёрная дыра? Какие эффекты имеют место только для чёрной дыры и невозможны для любого другого типа объектов?

Как указывалось выше, внутренний край диска аккреции, окружающего чёрную дыру, должен вращаться вокруг неё с чрезвычайно высокой скоростью. Один оборот внутреннего края диска должен, вероятно, происходить всего за несколько сотых или тысячных секунды. Естественно предположить, что этот внутренний край диска аккреции не вполне однороден. На нём могут быть «горячие пятна». При каждом обороте такого «горячего пятна» вокруг чёрной дыры астрономы должны наблюдать кратковременную интенсивную вспышку рентгеновского излучения вдобавок к тем рентгеновским лучам, которые испускаются диском постоянно. Если бы такие добавочные вспышки наблюдались чаще чем раз в 1/100 с, то это могло бы стать прямым подтверждением наблюдения чёрной дыры.

К сожалению, спутник «Ухуру» не мог регистрировать очень быстрых изменений рентгеновского излучения. Вообще говоря, кажется, что Лебедь Х-1 испускает такие короткие вспышки, но астрономы не перестанут быть скептиками, пока на околоземные орбиты не будут выведены усовершенствованные рентгеновские телескопы. При этом следует отметить, что источник Циркуль Х-1 (3U 1516-56), также, по-видимому, испускает короткие вспышки рентгеновских лучей. Хотя видимый компонент Циркуля Х-1 ещё не отождествлен, сходство параметров рентгеновского излучения Лебедя Х-1 и Циркуля Х-1 бросается в глаза. Так что не исключено, что астрономы уже открыли вторую чёрную дыру.

Поскольку представляется вполне вероятным, что Лебедь Х-1-это чёрная дыра, астрофизики приступили к подробным расчётам, чтобы понять, каким путём эволюция двойной звёздной системы может привести к возникновению чёрной дыры. Ввиду того что обнаружить чёрную дыру можно только по излучению падающего на неё вещества, выброшенного обычным компонентом двойной системы, две звезды должны быть довольно близки друг к другу. Если бы эти звёзды находились друг от друга на большом расстоянии (как это бывает обычно), чёрная дыра не могла бы захватывать достаточно вещества, чтобы началось рентгеновское излучение. Поэтому внимание было сосредоточено на эволюции тесных двойных систем.

РИС. 13.7. Чёрная дыра в тесной двойной системе. На основании расчётов де Лоора и де Грева изображены основные этапы эволюции тесной двойной системы звёзд. Эта двойная испускает рентгеновское излучение лишь в течение короткого периода за весь свой жизненный цикл.

Пусть две звезды сформировались очень близко одна от другой и образовали тесную двойную систему, обозначенную как стадия 1 на рис. 13.7. Сначала в недрах обеих звёзд шло «горение» водорода, однако более массивная звезда сжигала свой водород быстрее и потому быстрее эволюционировала. Вскоре она заполнила свои пределы Роша и передала большое количество вещества своему компаньону (стадия 2). Вследствие переноса массы второй компонент двойной системы стал теперь более массивной звездой (стадия 3). После вспышки сверхновой образовалась чёрная дыра, если умирающая звезда сохранила достаточную массу, чтобы гравитация пересилила давление газа, иначе получился бы белый карлик или нейтронная звезда (стадии 4 и 5). Получившуюся чёрную дыру было невозможно обнаружить, пока её компаньон не проэволюционировал до стадии, на которой началось испускание сильного звёздного ветра. Лишь тогда чёрная дыра смогла захватить достаточно газа, чтобы образовался диск аккреции, испускающий рентгеновские лучи (стадия 6). Наконец, когда второй компонент проэволюционировал так далеко, что заполнил свои пределы Роша, через внутреннюю точку Лагранжа к чёрной дыре стали поступать огромные количества вещества. Этот поток вещества «забил» выход рентгеновского излучения, и чёрная дыра снова стала ненаблюдаемой (стадия 7).

Описанный сценарий подсказал астрономам, что стадия развития тесной двойной системы, в ходе которой наблюдается рентгеновское излучение, очень кратка. Расчёты показывают, что тесные двойные системы должны испускать рентгеновское излучение в течение менее 0,5% своего времени жизни. Значит, согласно теории вероятности, лишь одна из нескольких сотен тесных двойных систем могла бы давать поддающийся обнаружению поток рентгеновских лучей. На каждый источник типа Лебедя Х-1 может оказаться несколько сотен чёрных дыр, входящих в состав тесных двойных систем, не дающих никакого наблюдаемого излучения.

Анализируя наблюдения звездоподобных источников рентгеновского излучения в ходе поисков чёрных дыр, астрономы пришли к замечательному открытию, о котором стало известно весной 1976 г. С помощью так называемого «Голландского астрономического спутника», запущенного на полярную околоземную орбиту 30 августа 1974 г., астрономы приступили к наблюдениям ряда рентгеновских источников, входящих в 3-й каталог «Ухуру». 28 сентября 1975 г. при наблюдении источника 3U 1820-30 с помощью новых рентгеновских телескопов на борту этого спутника они обнаружили исключительно сильную вспышку рентгеновского излучения. Менее чем за 1 с интенсивность рентгеновского излучения источника 3U 1820-30 возросла примерно в 25 раз. В течение последующих 8 с интенсивность рентгеновского излучения постепенно возвратилась на свой прежний уровень. Были зарегистрированы и новые вспышки того же источника, типичный вид одной из которых приведен на рис. 13.8. Всплеск энергии такой интенсивности до тех пор никогда не отмечался.

РИС. 13.8. Интенсивная вспышка рентгеновского излучения. Зарегистрированы исключительно интенсивные вспышки рентгеновского излучения от источников, находящихся в шаровых скоплениях. Менее чем за 1 с интенсивность рентгеновского излучения возросла в 25 раз. В течение последующих 8 с интенсивность упала до первоначального уровня.

РИС. 13.9. Шаровое скопление NGC 6624. Вспышки рентгеновского излучения исключительной интенсивности были зарегистрированы именно от этого шарового звёздного скопления. Проще всего объяснить эти вспышки, если предположить, что в центре скопления NGC 6624 существует массивная чёрная дыра. Снимок, сделанный Н. Бахколл с короткой экспозицией, позволяет видеть звёзды в центральной части скопления. (С разрешения Н. Бахколл.)