Изучение Чёрных дыр. Часть 2⁠⁠

Рассмотрим 2 гипотетических вида чёрных дыр.

Первичные чёрные дыры.

Как думают, они образовывались в ранней вселенной. Более менее, все реалистичные сценарии ранней вселенной, предполагают их появление. Они могут иметь любую массу. Но, как обычно, тараканов у нас больше, чем слонов. Поэтому маленьких первичных чёрных дыр больше, чем больших. А самые маленькие испарились, о чём тоже позже. Поэтому чаще говорят о поисках первичных чёрных дыр с массой как у астероида (10^15 грамм).

Есть ещё чёрные дыры промежуточных масс. Промежуточные между звёздными и сверхмассивными. Их придумали для объяснения некого типа источников, но в детали вдаваться не будем, так как может произойти очередная, неприятная дискуссия :) Существование этого вида чёрных дыр не доказано.

Самая надёжная чёрная дыра - чёрная дыра в центре нашей галактики.

Крестиком в центре отмечено положение чёрной дыры SGR A*, а белые точки, которые похожи на какие-то микроорганизмы - это звёзды. На анимации показано движение звёзд вокруг чёрной дыры. Ниже в увеличенном масштабе.

Здесь, на окраине галактики, мы особенно не чувствуем гравитацию центральной чёрной дыры, если её убрать ничего не произойдет. А звёзды на изображении крутятся под действием гравитации центральной чёрной дыры. И отследив траекторию звёзд, их теперь довольно много уже известно, у некоторых весь эллипс прописан, мы можем оценить массу этого центрального объекта, давайте пока не будем называть его чёрной дырой. Получается где-то 4 миллиона масс Солнца. Это много. Это достаточно тёмный объект, никакого яркого объекта нет. Крутятся звёзды с массой где-то 1-5 масс Солнца, а в центре сидит нечто размером 4 млн масс Солнца, и, в общем-то, почти никак не светит.

Почему тем не менее мы думаем, что это чёрная дыра?

Во-первых объект очень компактен. Радиотелескопы, стоящие в разных концах Земного шара, и наблюдающие этот объект, вместе получают изображение. И мы знаем, что этот объект имеет размер меньше чем 1 а.е. То есть нам нужно 4 млн масс Солнца запихнуть внутрь 1 а.е. Самая консервативная гипотеза, как это можно сделать - чёрная дыра. Всё остальное требует очень большой экзотики. Кстати, много маленьких дыр Вы не можете запихнуть. Конечно, можете, но оставив их на короткий промежуток времени - они схлопнутся в одну.

Теперь, собственно, о чернодырности. Объект массивный, компактный, сам по себе почти не светит. Но есть хорошее указание на то, что у него нет поверхности.
Мы видим как к центральному объекту течет газ, есть, действительно, реальные наблюдения, мы видим этот газ. Газ, падая на тяжелый, компактный объект, конечно разгоняется. Если это действительно чёрная дыра, то вещество уходит под горизонт со скоростью света. Если вы возьмете любой объект, разгоните до скорости близкой к световой, и он у вас столкнется со стенкой - выделится колоссальное количество энергии. Соответственно, если мы видим газ, текущий к объекту, мы ожидаем, что при ударе о стенку будет выделено большое количество энергии. Мы можем посмотреть, что нам дают наблюдения. А наблюдения дают нам по сути верхний предел, мы знаем, что 99,6 % энергии выделяется по "дороге". Значит единственное здравое предположение, что там действительно никакой стенки нет. И это довольно серьезный аргумент в пользу того, что в центре галактики сидит чёрная дыра.

Аргумент, конечно, не абсолютно убедительный. Повторюсь, можно придумать модель, которая, по крайне мере, арифметике не будет противоречить, которая это объяснит, но она выглядит страшно искусственно. У неё есть большие внутренние проблемы. Поэтому мы думаем, что центральный объект в нашей галактике - чёрная дыра. Это объект, который сейчас наилучшим образом удовлетворяет всем разумным критериям.

Дальше у нас кандидаты звёздных масс.

Саму чёрную дыру мы не увидим, потому что она дыра и она чёрная, смотреть там особо не на что :) Но если чёрная дыра входит в двойную систему, то вещество с обычной звезды начнёт перетекать на чёрную дыру. Опять таки, если вы кирпич кинули в чёрную дыру, он упадёт без звука, без всплеска, немного гравитационных волн выделится, но очень мало. Однако, вещество не падает прямо в чёрную дыру, потому что объекты двойной системы вращаются вокруг общего центра масс. И газ, который течет со звезды закручивается, образуя аккреционный диск. Внутрь вещество попадает со скоростью света, соответственно газ в диске движется очень быстро. В диске есть вязкость, газ разогревается до температуры 1 млн градусов. И мы видим диски, не сами чёрные дыры, а диски вокруг них, которые излучают рентгеновское излучение, поскольку это соответствует температуре 1 млн градусов. И вот таких кандидатов много. Больше двух десятков очень надежных, и примерно столько же действительно хороших кандидатов.

Почему мы думаем, что они чёрные дыры?

Нет пульсаций. Если бы это была нейтронная звезда (о которых я уже выкладывал серию постов), у неё была бы поверхность, куда-то вещества падает больше, куда-то меньше, например из-за наличия магнитных полей. Там, куда падает больше, температура выше, горячее пятно, и мы видим пульсации - рентгеновские пульсары. Таких объектов известно больше сотни. Здесь ничего похожего не происходит. Некие особенности излучения говорят, что это чёрные дыры, но самое главное - они тяжёлые.

У нас есть объект, массу которого мы можем оценить, мы знаем, что он очень компактный и тёмный. Спрашивается, можем ли мы сделать это в рамках разумной физики? Можем ли мы сделать нейтронную звезду с массой 5 масс Солнца? Не можем. Для нейтронных звёзд верхний предел масс - 2 с хвостиком масс Солнца. Если мы открываем объект с массой 3 и больше масс Солнца, в рамках стандартной, проверенной физики, это должна быть черная дыра.

Поэтому таких зверушек быть не может. Тоненькие ножки подломятся, если поставить на них слона.

Какие ещё есть аргументы в пользу отсутствия поверхности? Есть очень потрясающая вещь, в двойных системах это очень сильный аргумент.

Есть очень похожие двойные системы, мы видим какая звезда является обычной, есть аккреционный диск, но они показывают очень разное поведение.

В одном случае мы уверены, что это нейтронная звезда, потому что происходят вспышки (показаны на графике). Вещество, текущее с звезды - в основном водород (от 70 до 90 %). Он попадает на поверхность нейтронной звезды и накапливается. Что происходит если вы долго водород уплотняете и повышаете его температуру? Происходит термоядерный взрыв. И вот вещество течёт, накопилось, создались условия для взрыва, произошел взрыв. Сгорело, что могло сгореть, копим дальше. Всё это замечательно укладывается в эту модель (это мы говорим о системе AQL x-1).

И есть системы, фактически, копии...

Продолжение в следующей части. Как всегда, спасибо за подписку и за плюсик :)