Как правило, черные дыры образуются или растут, когда разрушается ядро гигантской звезды или когда коллапсар сталкивается
с крошечной, но также невероятно плотной нейтронной звездой. О том, как и почему застыла звезда, можно судить по длительности высокоэнергетических гамма-вспышек, сопровождающих образование черной дыры. Большинство вспышек приходит от границ видимой части Вселенной. Короткие всплески могут длиться от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Предположительно, это связано со столкновением черных дыр или нейтронных звезд в различных комбинациях.
Излучение звездной массы, приводящее к ее очень медленному испарению, невелико, поэтому на него надежды мало: единственным источником свечения в этом случае может быть аккреция межзвездной среды. Однако далеко не каждый камень, провалившийся в черную дыру, проявит себя видимым образом. Он, конечно, излучит гравитационные волны, но пока физики не могут зарегистрировать даже волну от падения одной черной дыры в другую (такое происходит при слиянии дыр, образующих двойную систему), какие уж там камни… При падении на нейтронную звезду камень рано или поздно столкнется с ее поверхностью, и энергия будет высвечена. А у черной дыры поверхности нет, поэтому для получения света надо сталкивать камни друг с другом на подлете. Из-за этой особенности газ, сферически симметрично летящий в черную дыру, дает очень маленький выход энергии. Необходимо, чтобы возник вращающийся вокруг дыры аккреционный диск (имеющий центром саму дыру). Частицы межзвездного мусора, двигаясь по сходящимся к дыре спиралям в плоскости диска, сталкиваются и разогревают друг друга. Именно такие «горячие» диски и выдают черные дыры.
Поиски бегунов
Хотя наша галактика не относится к активным, но черная дыра с массой около миллиона масс Солнца может быть и в ее центре. Застывшие звезды в ядрах галактик должны интенсивно поглощать межзвездную среду и ближайшие звезды, разрывая их приливными силами. Причем, и там они могут образовывать двойные системы. Например, при слиянии двух галактик с коллапсарами в их центральных областях может возникнуть удивительная система из нескольких черных дыр.
В тесных двойных системах диск возникает из-за орбитального вращения двух компонентов и перетекания вещества. В случае одиночной черной дыры диск может возникнуть благодаря аккреции пыли и газа из турбулентной и неоднородной межзвездной среды. Гигантские космические вихри, вероятно, заставят вещество падать на дыру несимметрично. Если диск возник, то каждый грамм падающего вещества может выделить колоссальную энергию. Проблема в том, что в межзвездной среде очень мало гравитирующей материи, чтобы составить эти самые граммы. Поэтому одиночные черные дыры вряд ли будут яркими источниками. Собственно, поэтому они еще и не открыты.
Чтобы увеличить шанс обнаружения черной одиночной дыры, нужно, во-первых, искать близкие черные дыры, во-вторых, хотя бы примерно знать, куда смотреть. Пожалуй, одна из немногих возможностей выполнить сразу два условия – засечь «бегунов». В окрестностях Солнца есть быстродвижущиеся звезды, что, в общем-то, нетипично: появление «бегунов» объясняется их рождением в двойных системах.
Черные дыры могут сближаться и сливаться, и тогда вблизи них будут ощущаться гравитационные волны – пульсации кривизны пространства-времени (космический корабль будет трясти, сжимать, растягивать). В результате таких слияний должны возникать дыры с особенно быстрым вращением. Их сплюснутость может быть заметной на глаз. Суммарная масса новой дыры должна быть чуть меньше суммы исходных, так как часть массы уносится гравитационными волнами. Энергией вращения черных дыр, в принципе, можно воспользоваться: если построить кольцо вокруг экватора и внедриться под горизонт событий магнитным полем, то от экватора потечет электрический ток в кольцо, а от кольца – к полюсам…
Теория предсказывает, что коллапс звезд является не единственным способом рождения черных дыр, и существуют особые механизмы формирования первичных коллапсаров в ранней Вселенной. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы лишь до определенного предела плотности вещества, при которой сила гравитации становится так велика, что любые, даже незначительные ее колебания способны перерасти в коллапс пространства-времени. Однако в таких условиях могут возникать только сверхмикроскопические коллапсары, намного меньшие элементарных частиц, но с гигантской для таких размеров массой в тысячные доли миллиграмма. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться все более массивные первичные черные дыры, начиная от размеров нуклонов и заканчивая параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой, близкой к солнечной.
Первичные микроколлапсары
Согласно современной теории эволюции звезд, «умирая», каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией любой звезды, но затем были открыты пульсары, и астрономы признали существование нейтронных звезд. Теперь же ученые задумались о возможности реального существования самого удивительного класса умирающих звезд – черных дыр. К середине 60-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции, и они поняли, что существование устойчивых «мертвых» звезд, масса которых больше трех солнечных, невозможно. А так как во Вселенной достаточно много звезд с очень большими массами, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной.
Вообще говоря, сама по себе высокая плотность ранней Вселенной еще не гарантировала появления микроколлапсаров. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался бы коллапс, нужно, чтобы плотность черной дыры оказалась выше средней, так что необходимы еще и флюктуации. Для формирования первичных черных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флюктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов – например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. Астрономы считают, что локальное изменение плотности первичного вещества инициировало процессы образования звезд, галактик и их скоплений.
Нынешний успех астрономии доказывает, что черные дыры – не просто экзотические объекты Вселенной, окрыляющие нашу фантазию, они заставляют задуматься над тем, что многие причудливые особенности природы еще не познаны. Так, астрономы на основе данных, полученных со спутниковых лабораторий, открыли искривление пространства около нейтронной звезды – правда, очень слабое. Уже запущен спутник, специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «гравитационных линз» тяжелых звезд и, прежде всего, черных дыр, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли.
Учитывая важнейшие свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость), астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения.
Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, удается, используя эффект Доплера, измерить скорость звезды и определить массу ее невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца, и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта – например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела.
Пенный прилив черных реликтов
Свойство черных дыр столь фантастичны, что в существование этих экзотических объектов в реальном мире верится с трудом, и об этом уже несколько десятилетий идут споры. Даже сам Эйнштейн сомневался в возможности их существования.
Кроме устрашающего разгула в Эпоху черных дыр звездных коллапсаров, астрофизики предсказывают еще и прилив «пены» микроскопических реликтовых черных дыр. Эти микроколлапсары должны были во множестве рождаться на изначальном этапе Большого взрыва, но впоследствии их полностью накрыло «одеяло» обычного барионного вещества. В эпоху черных дыр, после поглощения большинства небесных тел застывшими звездами, «пена» реликтовых микроколлапсаров опять может «всплыть» на поверхность.