Черная дыра в центре галактики М87 имеет массу 4–5 млрд масс Солнца. До этой галактики примерно 50–55 млн световых лет.
Изучение окрестностей черных дыр возможно в радиодиапазоне методами интерферометрии. С этой целью создан проект Event Horizon Telescope, объединяющий несколько инструментов, разбросанных по всему земному шару. Наблюдения в миллиметровом диапазоне с помощью этой системы телескопов позволяют изучать ближайшие (несколько радиусов черных дыр) окрестности Sgr A* и М87. Свой вклад смогут внести и космические проекты, в которых один из радиотелескопов, составляющих интерферометрическую систему, находится на расстоянии в сотни тысяч километров от Земли.
Первым успешным проектом такого типа является «Радиоастрон», основой которого является российский спутник «Спектр-Р».
7.4. Первичные черные дыры и испарение Хокинга
В настоящий момент в астрономических наблюдениях мы не можем непосредственно исследовать области, прилегающие к горизонту событий. Кроме того, современные физические теории не позволяют с достаточной точностью и надежностью одновременно учитывать эффекты квантовой физики и сильного искривления пространства-времени. Это приводит к тому, что в физике черных дыр остается много неясного, и разные теоретические подходы предлагают очень разные ответы. В еще большей степени это применимо к недрам черных дыр, откуда информация принципиально не может попасть во внешний мир. Существуют разные модели объектов, которые мы объединяем под общим термином «черные дыры» и которые с астрофизической точки зрения выглядят как классические черные дыры ОТО.
Наиболее важные результаты по физике черных дыр сейчас получают с помощью гравитационно-волновых детекторов. Значительные надежды можно связывать и с интерферометрическими наблюдениями окрестностей сверхмассивных черных дыр большого углового размера. В перспективе можно ожидать, что будет обнаружен крайне интересный эффект испарения черных дыр. Это позволит существенно продвинуться и в понимании физики этих объектов, и в понимании природы гравитации и квантовых процессов.
Гипотеза об испарении черных дыр была развита в статье Стивена Хокинга (1975). Эта работа во многом основана на обсуждении (с Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским) квантовых эффектов вблизи черных дыр во время визита Хокинга в Москву в 1973 г.
Процесс испарения черных дыр – квантовый эффект. Рождение частиц и излучения происходит снаружи горизонта, т. е. частицы и излучение не пересекают горизонт. Для рождения частиц необходима энергия, которая черпается из массы черной дыры, так что по мере генерации частиц размер и масса компактного объекта уменьшаются.
Температура излучения черной дыры зависит от ее массы: чем больше масса, тем ниже температура. В абсолютной пустоте все черные дыры испарялись бы, однако на самом деле космос не пуст: он заполнен не только веществом, но и излучением. Наибольший вклад в его плотность энергии дает реликтовое излучение с температурой (в настоящее время) около 2,7 K. Соответственно, черные дыры с меньшей температурой в наши дни будут расти за счет поглощения реликтового излучения. В реалистичных условиях только черные дыры с массой меньше массы крупного астероида (их размеры – порядка размеров атомов и атомных ядер) должны постепенно испаряться (если у них нет другого источника массы, например связанного с аккрецией вещества из окружающей среды).
Испарение черных дыр – это достаточно медленный процесс (кроме финальных стадий). Тем не менее за время жизни Вселенной первичные черные дыры с массами менее 1015 г должны были испариться. Соответственно, если первичные черные дыры существуют и гипотеза о хокинговском испарении является верной, то в настоящее время черные дыры с первоначальной массой порядка 1015 г заканчивают свое существование. Этот процесс должен сопровождаться достаточно мощной вспышкой, видимой с расстояния в несколько сотен световых лет.
Черные дыры таких небольших масс могли рождаться в ранней Вселенной в первые доли секунды после начала расширения. Когда средняя плотность вещества была очень велика, флуктуации плотности могли достигать значений, требуемых для образования черных дыр. Количество первичных черных дыр и их распределение по массам остаются предметом дискуссий. Любые конкретные данные по первичным черным дырам расскажут нам многое об условиях в ранней (возможно, сразу после окончания стадии инфляции) Вселенной.
Поиски испаряющихся черных дыр ведутся в двух основных направлениях. Первое – это поиски собственно вспышек, которые могут наблюдаться не только в гамма-диапазоне, но и, например, в радиодиапазоне. Так, одной из гипотез для объяснения так называемых быстрых радиовсплесков было именно испарение черных дыр (эта гипотеза не подтвердилась и была отвергнута). Пока, к сожалению, не выявлено каких-либо событий, которые могут считаться надежными кандидатами во всплески испаряющихся черных дыр.
Второе направление поиска связано с поиском дополнительного вклада частиц, рождаемых в результате испарения. Идея состоит в том, что при испарении дыр рождаются частицы и античастицы. Антивещества во Вселенной крайне мало, поэтому существенный дополнительный вклад (например, в количество позитронов или антипротонов) можно было бы заметить. Анализ данных о составе космических лучей не позволяет пока говорить о том, что такой ожидаемый дополнительный вклад в количество античастиц обнаружен.
Наконец, различные астрофизические методы используются для поисков первичных черных дыр по их гравитационному действию. Например, первичные черные дыры могут выступать в роли гравитационных линз. Поиски таких объектов также не дали результата.
В вопросе о финальных стадиях испарения черных дыр есть много неясного. Например, в рамках теории петлевой квантовой гравитации финальные стадии испарения проходят не так, как в модели Хокинга. Поэтому обнаружение этого явления и изучение его свойств были бы крайне важными для фундаментальной физики.
Глава 8Наша Галактика
Наша Галактика (Млечный Путь) – крупная система, состоящая из темного вещества, звезд, газа и пыли. Мы не можем видеть Галактику снаружи, поэтому не знаем многих деталей ее строения, однако нам известно, что это дисковая спиральная галактика. В центральной части находится балдж – сфероидальный компонент Галактики размером несколько тысяч световых лет, а в самом центре расположена сверхмассивная черная дыра массой около 4 млн солнечных. Поперечник звездного диска Галактики составляет около 100 000 световых лет, толщина его в десятки раз меньше диаметра. Наша звезда находится вблизи плоскости диска – примерно в 25 000–27 000 световых лет от его центра, поэтому на небе мы видим красивую полосу Млечного Пути – это основная масса звезд Галактики (всего их в ней несколько сотен миллиардов). Масса звезд составляет примерно 100 млрд масс Солнца, но основная (90 % по массе) составляющая Галактики нам не видна: диск погружен в сфероидальное гало размером около миллиона световых лет, состоящее в основном из темного вещества.
Галактике около 13 млрд лет, так что в ней есть очень старые звезды. Однако в диске присутствует много газа и пыли, поэтому и сейчас там продолжается процесс звездообразования. Благодаря этому раз в несколько десятков лет вспыхивают сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми элементами.
Наша Галактика не одинока: у нее есть десятки карликовых спутников и пара больших соседей – туманность Андромеды и галактика в Треугольнике. Вместе они формируют Местную группу галактик.
8.1. Структура Галактики
Основными структурными компонентами Галактики являются диск, балдж и гало. В центральной части Галактики также выделяют так называемый бар, или перемычку. Полная масса Галактики составляет около триллиона масс Солнца, бóльшая ее часть приходится на гало, состоящее в основном из темного вещества. Масса звезд составляет около 100 млрд солнечных, и это в основном звезды диска. Характерный размер (диаметр) диска составляет около 100 000 световых лет, а средняя толщина – несколько тысяч. Балдж находится в центральной части Галактики, имеет округлую форму, размеры в несколько тысяч световых лет и в несколько раз легче диска. Гало размером в сотни тысяч световых лет охватывает всю Галактику.
Основные компоненты Галактики: диск, балдж и гало.
Звезды на ночном небе – объекты нашей Галактики. Полоса Млечного Пути, содержащая миллиарды звезд, – это ее основная часть, диск (наша Галактика относится именно к дисковым галактикам). Кроме того, в диске много газа и пыли, и именно поэтому Млечный Путь не выглядит ровной «небесной дорогой», а кажется местами «клочковатым»: сами звезды распределены достаточно равномерно, но газопылевые облака поглощают свет звезд, и в Млечном Пути появляются прожилки и провалы.
Спиральные рукава выделяются, потому что в них идет звездообразование и присутствует много массивных ярких звезд.
Из-за наличия большого количества газа и пыли в плоскости диска огромное количество звезд Галактики оказывается скрытым от нас. Однако наличие плотной межзвездной среды приводит к формированию новых поколений светил, так что звездный диск содержит много молодых объектов. Поэтому там присутствуют и массивные звезды высокой светимости, обладающие коротким временем жизни. Именно они очерчивают спиральный узор галактик, поскольку, как правило, именно в спиральных рукавах наиболее активно идет звездообразование. Между тем есть в диске и старые звезды, родившиеся в нем, некоторым из которых, как Солнцу, несколько миллиардов лет. А самые старые – ровесники Галактики – могли попадать в него в результате динамической звездной эволюции или поглощения галактик-спутников.
Для определения деталей структуры Галактики необходимо достаточно точно измерять расстояния до разных объектов, прежде всего звезд. Однако пока точные расстояния, в первую очередь благодаря работе спутника Hipparcos, доступны лишь для нескольких десятков тысяч звезд в пределах примерно тысячи световых лет от нас. В ближайшие годы станут доступны полные данные наблюдений космического телескопа Gaia. Это даст измерения расстояний для сотен миллионов звезд вплоть до десятков тысяч световых лет. Тогда станет возможным построить карту распределения и движения звезд примерно половины нашей Галактики. Пока же в вопросе ее строения есть существенные неясности.