Суперобъекты. Звезды размером с город

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.

14

Тем, кто хочет увидеть списки известных нейтронных звезд, можно посоветовать онлайн-каталоги, которые используют профессиональные астрономы. Это в первую очередь каталог радиопульсаров и других периодических одиночных нейтронных звезд на сайте ATNF (Australia Telescope National Facility)Затем – каталог магнитаров в университете McGill в КанадеИ, наконец, каталог остывающих нейтронных звезд, поддерживаемый Даниэле Вигано http://www.neutronstarcooling.info/.

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.

Что же в космосе может течь на нейтронные звезды и черные дыры? Снова вспомним об обычных звездах – б'oльшая часть звезд, особенно массивных, рождаются парами. Понять это достаточно просто. Вначале у нас было облако газа и пыли, из которого потом образуются звезды. Облако сжимается. Вначале оно немножечко крутилось. Сжимаясь, оно вращается все быстрее и быстрее, и в конце концов сжатие может полностью прекратиться из-за того, что принято называть центробежной силой.

Чтобы обойти этот барьер, природа придумала вот что. Облако делится на два куска, и теперь каждый кусок сам по себе крутится медленно. Но они быстро вращаются друг вокруг друга (т. е. вокруг общего центра масс), и, соответственно каждый из двух кусочков может продолжить сжиматься. В конце концов формируется двойная звезда. Если хотя бы одна из звезд достаточно массивна, то в финале эволюции получается нейтронная звезда или черная дыра в двойной системе. Если у компактного объекта есть звезда-соседка, значит, рядом есть много вещества, есть чему и откуда течь. Соответственно, заметная часть нейтронных звезд и черных дыр, которые мы видим, – это объекты в двойных системах, на которые течет вещество с соседней звезды, – идет аккреция. Но таких пар все-таки мало, если сравнивать с миллиардом объектов. Мало их по нескольким причинам.

Две звезды удерживаются в двойной системе благодаря гравитации. Если полная масса системы резко уменьшится более чем в два раза, то двойная распадется, как если бы порвалась веревка на этом рисунке.

Во-первых, не все объекты образуются в двойных системах, а во-вторых, есть несколько способов разрушить звездную пару. Двойные системы устойчивы, потому что два объекта притягиваются друг к другу. Существует как бы веревка такая – гравитация, – связывающая два объекта, вращающихся вокруг общего центра масс. Крутятся – значит стремятся улететь. Здесь обычно вспоминается Том Сойер, крутящий дохлую крысу на веревочке. Если веревка порвется, то крыса, естественно, улетит. Хотя если бы крыса весила столько же, сколько Том Сойер, то они бы разлетелись в разные стороны. Как порвать гравитационную веревочку? Нужно резко уменьшить массу одной из звезд. И есть прекрасный способ быстро уменьшить массу звезды – это взрыв сверхновой. Вспоминаем, что взрываются массивные звезды, которые были в 10–20–30 раз тяжелее Солнца. А остается после взрыва, к примеру, нейтронная звезда. Масса у нее чуть больше одной масса Солнца, может быть, полторы-две. То есть б'oльшая часть вещества улетела, и, значит, теперь вторую звезду притягивает не 30 масс Солнца, а всего лишь одна-две массы Солнца. Гравитационная веревочка порвалась, и система распалась.

Таким образом, большая часть нейтронных звезд и черных дыр оказывается одиночными объектами, и тогда нечему течь на них. Возникает важный вопрос: как же увидеть старые нейтронные звезды (как молодые – радиопульсары, магнитары и т. д. – мы знаем)? Как увидеть старые нейтронные звезды, если они одиночные? Или одиночные черные дыры? С одной стороны, кажется, что миссия невыполнима в принципе. Однако детальное рассмотрение покажет нам, что задача эта очень непростая, а потому до конца не решена до сих пор, но принципиально препятствия преодолимы.

Космос на самом деле не пустой. В космосе есть газ и пыль. В конце концов, сами звезды, из которых потом образуются нейтронные звезды и черные дыры, формируются в результате сжатия облаков межзвездного газа и пыли. И, кстати, если вы построите звездолет, чтобы летать между звездами, то эта среда, которая заполняет пространство между ними, станет для вас большой проблемой. С одной стороны, есть красивые проекты, которые очень любят в фантастике: вы можете использовать как топливо тот самый водород, который заполняет межзвездное пространство. А с другой стороны, представьте, что вы летите с околосветовой скоростью (иначе путешествие между звездами неинтересно). Летите, и пусть вещества на вашем пути очень мало, но с вашей точки зрения каждый атом водорода в межзвездной среде влетает вам в лоб (точнее, в лоб вашему кораблю) со скоростью близкой к скорости света. Тогда возникает много всего нехорошего: от банального «все будет разогреваться» до возникновения радиоактивности, так что технически это серьезная проблема для межзвездных перелетов.

Межзвездные газ и пыль были окончательно открыты лишь в начале XX века. Важную роль здесь сыграли работы Иоганна Гартмана. Межзвездная среда заметно проявляет себя, поглощая свет звезд и делая его более красным. Провалы в Млечном Пути, темные полосы и волокна на фотографиях многих дисковых галактик – все это межзвездная пыль. Красивые туманности – например, облака на снимках Космического телескопа – все это межзвездный газ.

Таким образом, какое-то количество вещества в космосе все-таки есть. И одиночные нейтронные звезды, и черные дыры могут начать притягивать, натягивать на себя это вещество. В астрофизике это называется аккреция – вещество гравитационно притягивается в данном случае к компактному объекту. И тогда у нас возникает ситуация, примерно как в двойной системе, только вещества меньше. Каждый грамм, который упал на нейтронную звезду, выделяет примерно 1020 эрг энергии. Это очень много – 10 % от mc2. То есть это б'oльшая доля, чем, например, выделяется при термоядерном взрыве. Так что аккреция – очень эффективный способ выделения энергии. Хотя и очень простой.

Аккрецию на одиночные нейтронные звезды и черные дыры активно обсуждали в начале 70-х годов прошлого века. У нас в стране первопроходцем в этой области был Викторий Шварцман. Это такая драматическая история, что о ней следовало бы снять художественный фильм. В 1970–1971 годы он опубликовал серию работ по аккреции на нейтронные звезды и черные дыры, которые актуальны до сих пор. Однако, к великому сожалению, все попытки обнаружить такие источники ни к чему не привели, хотя сам Шварцман приложил к этому большие усилия и даже переквалифицировался из теоретика в наблюдатели, создав научную группу в Специальной астрофизической обсерватории на Кавказе. Одиночные аккрецирующие компактные объекты не открыты по сей день.