ься. А потом, когда образуется черная дыра, она «запомнит» скорость.
Для черных дыр скорости могут быть немного меньше, чем у нейтронных звезд, просто потому, что они более тяжелые. Если типичная масса нейтронной звезды – это полторы массы Солнца, то типичная масса черной дыры – примерно 5–10 масс Солнца, т. е. в несколько раз больше, значит, скорости будут в несколько раз меньше. Примерно это и наблюдается.
Нейтронных звезд мы знаем довольно много. Это в основном радиопульсары (их проще открывать), которых известно около 2000. Для многих из них скорости достаточно хорошо измеряются. А вот черных дыр мы знаем мало. Есть всего несколько кандидатов в одиночные черные дыры, открытых с помощью микролинзирования. Их точная скорость не определена, приблизительно это 100 км/с.
Зато есть двойные системы с черными дырами. Их известно около полусотни. Можно измерить скорости таких систем. В некоторых случаях мы видим, что вся двойная летит с большой скоростью, что нетипично для них. То есть, что-то ее разогнало. Это связывают с дополнительной скоростью, которую получают черные дыры в таких системах. Ее можно оценить. Снова получается величина в среднем в несколько раз меньше, чем у нейтронных звезд. Так что кажется, что гипотеза работает: «стратегия ускорения» нейтронных звезд и черных дыр одна и та же, но первые легче разогнать.
В случае нейтронных звезд дополнительную информацию о механизме разгона дает взаимная ориентация оси вращения и направления движения. Наблюдения показывают, что угол между этими векторами распределен не случайно. Есть тенденция к их примерной (но не точной!) соосности. Это может говорить о том, что время работы механизма не слишком мало и не слишком велико по сравнению с периодом вращения новорожденной нейтронной звезды. Ведь если бы «двигатель» долго работал на вращающейся звезде, то произошло бы усреднение переданного импульса относительно оси вращения, т. е. скорость стала бы направленной вдоль этой оси. А если бы разгон происходил почти мгновенно, то два вектора могли бы быть совсем не скоррелированными. Некоторые модели разгона предсказывали, что угол будет очень близок к 0 или к 90 градусам. Теперь эти сценарии можно отбросить.
Гравитационная ракета
В случае черных дыр есть еще один очень экзотический механизм разгона. Массивные звезды любят образовываться парами. Соответственно, есть такие пары, где обе звезды очень массивны. После взрывов они обе порождают черные дыры. И в довольно редких случаях система не распадается. То есть система пережила первый взрыв сверхновой, пережила второй, и у нас образовалась двойная черная дыра.
Со временем такая система становится все более компактной. Двигаясь по орбитам, черные дыры испускают гравитационные волны, и таким образом уносятся момент импульса и энергия. Дыры становятся все ближе и ближе друг к другу, пока наконец не сольются. Детекторы LIGO и VIRGO должны уловить гравитационно-волновые сигналы от этих слияний.
В 1960-е годы поняли удивительную вещь: гравитационные волны излучаются несимметрично. На первый взгляд кажется, что все симметрично: двойная система, два объекта водят хоровод по кругу. Однако это не так: ведь черные дыры сближаются по сворачивающейся спирали.
Любой объект, двигающийся с большой скоростью, больше излучает в направлении своего движения (точнее, так это выглядит в лабораторной системе отсчета). Это эффект Специальной теории относительности. Поэтому излучение гравитационных волн в системе из двух черных дыр идет несимметрично. Так происходит потому, что массы черных дыр отличаются друг от друга (добиться точного равенства масс практически невозможно). Это особенно заметно на последних стадиях, когда дыры фактически падают друг на друга. Гравитационные волны уносят не только момент импульса, но и обычный импульс. Получается удивительная штука. Представьте, что перед глазами у нас пара черных дыр. Они крутятся, центр масс системы вначале покоится относительно нас. Но по мере сближения черных дыр вся система начинает мало-помалу разгоняться. А потом они сливаются, и получившаяся черная дыра с огромной скоростью куда-то улетает.
Этот процесс называют гравитационно-волновой ракетой. И прелесть эффекта в том, что он не зависит от массы черных дыр, а зависит только от отношения масс (и от того, как они вращаются).
Это означает, что, если у нас сливаются две черные дыры с массами 5 и 10 масс Солнца или 5 и 10 миллиардов масс Солнца, то они в итоге могут приобрести одну и ту же скорость. Скорость посчитать очень непросто, поскольку на последнем этапе работает очень сильная гравитация, да еще в динамике (т. е. все быстро меняется). А мы плохо умеем решать такие задачи даже на суперкомпьютерах. Однако порядок скоростей удается оценить: получаются сотни километров в секунду. Максимальные скорости могут быть даже больше.
Сотни километров в секунду – с чем можно сравнить такую скорость? Это скорость, которая позволяет объекту улететь из Галактики. Чтобы покинуть Землю и стать спутником, нужна первая космическая скорость – почти 8 км/с. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и улететь в межпланетное пространство, нужно уйти за отметку 11 км/с. Есть скорость, которая позволяет улететь из Солнечной системы. А есть скорость, которая позволяет покинуть Галактику. Она зависит от того, из какого места вы стартуете. Но даже в центральных областях тысячи километров в секунду хватит для того, чтобы перестать быть гравитационно-связанным с нашей Галактикой и начать бороздить межгалактическое пространство. И черные дыры могут приобретать такие скорости.
Например, если сливаются две галактики, то существует небольшая вероятность того, что после того, как сверхмассивные черные дыры в их центрах сольются, получившаяся большая черная дыра из новой образовавшейся галактики улетит, потому что получит очень большую скорость. Особенно активно это должно было происходить миллиарды лет назад, когда галактики только начинали формироваться и еще не успели набрать большую массу – их было проще покинуть. Сейчас есть несколько галактик, в которых, как полагают, черные дыры после слияния приобрели значительную скорость. Покинуть тяжелую галактику они не смогли, но существенно сместились от центра, где мы их и наблюдаем.
Подводя итог этой главы, можно сказать, что нейтронные звезды и черные дыры есть не только в нашей Галактике, но и заполняют межгалактическое пространство, потому что существует очень много способов разогнать их до больших скоростей. В частности, до скоростей, которые позволяют им покинуть пределы своих родных звездных островов.
IX. Одиночные компактные объекты
Миллиард нейтронных звезд
Нейтронных звезд и черных дыр много. Но насколько много, с чем сравнивать? Давайте поговорим о нашей Галактике. Галактика большая: в ней примерно 400 миллиардов звезд (для сравнения: волос на голове менее 100 000), т. е. сравнивать нужно с этим числом. Можно примерно прикинуть, сколько же нейтронных звезд и черных дыр существует в нашей Галактике, точнее говоря, сколько их образовалось за время ее жизни.
Нейтронные звезды и черные дыры возникают в результате взрывов сверхновых. Мы можем оценить темп сверхновых в нашей Галактике. Сейчас это где-то раз в 30 лет, т. е. примерно три за 100 лет. Сколько лет нашей Галактике? Около 10 миллиардов, можно привести число точнее, оно будет чуть-чуть побольше, но мы делаем приблизительную оценку, поэтому сохраним по возможности круглые числа. Делим одно на другое, получаем, что за время, уже прожитое Галактикой, в ней должно было образоваться 300 миллионов нейтронных звезд и черных дыр, если темп вспышек сверхновых не менялся. Скорее всего, в начале, когда Галактика была молодой и только образовывалась, темп был немножко выше. Кроме того, черные дыры иногда могут образовываться без яркой вспышки. Поэтому неплохой оценкой будет такая: примерно миллиард нейтронных звезд и черных дыр. Можем даже прикинуть, сколько нейтронных звезд и сколько черных дыр в отдельности, какова пропорция. Нейтронные звезды, как мы думаем, образуются из более легких звезд, скажем, от 10 масс солнца до 30 или 40 примерно. Черные дыры – из более тяжелых. Больших объектов всегда меньше, чем маленьких, поэтому нейтронных звезд больше. Больше – может быть, в 10 раз, может быть, раза в 3–4. То есть получается, что у нас в Галактике почти миллиард нейтронных звезд и более 100 миллионов черных дыр. Раньше писали: «Примерно по одной нейтронной звезде или черной дыре на каждого жителя Земли», – но теперь на всех не хватает.
Спрашивается, почему же мы их не видим? Потому что это дело довольно непростое. Скажем, на Земле более 6 миллиардов человек, а во френдах у нас в социальных сетях несколько сотен, может быть, у кого-то несколько тысяч – примерно столько нейтронных звезд и черных дыр мы знаем сейчас из наблюдений[14]. Обычно в социальных сетях мы френдим своих знакомых – тех, кто в некотором смысле (необязательно географическом) находится вокруг нас. Аналогично можно было бы предположить, что мы знаем большую часть нейтронных звезд или черных дыр в солнечной окрестности. Но это не так – мы знаем только самые яркие. Какие-то из них видны нам, как яркие источники, действительно, потому что находятся недалеко. Но какие-то в самом деле излучают много энергии. Настоящие звезды! Так и в социальных сетях, к примеру, люди в самых разных странах очень любят читать твиттер Стивена Фрая или еще кого-нибудь из очень известных людей. Их все знают! С нейтронными звездами и черными дырами ситуация похожая. Это вообще типичная астрономическая ситуация: мы видим яркие, заметные объекты. Даже если они далеко.
Аккреция на одиночные компактные объекты
Как мы наблюдаем нейтронные звезды? Во-первых, мы можем видеть молодые нейтронные звезды из-за того, что они еще очень активные: они проявляют себя как радиопульсары, магнитары, еще какие-то интересные объекты. Одиночные черные дыры звездных масс не проявляют себя никак: не вспыхивают сами по себе и т. д. Увидеть одиночную черную дыру или старую нейтронную звезду довольно сложно, но есть один хороший способ. Нейтронные звезды и черные дыры – это очень компактные объекты, т. е. в них большая масса занимает очень маленький объем. С точки зрения гравитационного потенциала это очень глубокая яма. Если вы кидаете что-то на нейтронную звезду или черную дыру, то это тело достигает поверхности или горизонта (в случае черной дыры) с огромной – околосветовой (или световой, если речь о черных дырах) – скоростью. Если вещества течет много, то оно будет взаимодействовать само с собой. Например, мы запустили поток газа (в космосе в основном имеется именно газ) на компактный объект. В этом веществе имеется какое-то трение, поэтому потоки газа начинают тереться друг о друга и разогреваются до очень больших температур. Большие – это миллионы градусов. В результате мы видим яркие рентгеновские источники, если есть, чему течь.