Эволюция звезд

      Итак, были перебраны все возможности, кроме одной: «часовой механизм» пульсаров объясняется осевым вращением нейтронных звезд. Другими словами, пульсары – это очень быстро вращающиеся нейтронные звезды.

      Расчеты показывают, что в нашей Галактике должно быть несколько сотен миллионов нейтронных звезд. Большинство из них старые одиночные объекты. Они не излучают радиоволны (стадия пульсара для одиночной звезды длится 10⁷—10⁸лет). Единственная возможность увидеть их – это заметить излучение межзвездного вещества, падающего на их поверхность. Такие нейтронные звезды в состоянии аккреции ( падение вещества на космическое тело под действием сил тяготения. Аккреция сопровождается выделением гравитационной энергии. Эффективность выделения энергии при аккреции на нейтронные звезды в десятки раз больше, чем в ядерных реакциях) должны быть очень слабыми источниками рентгеновского излучения, зарегистрировать которое непросто. Кроме того, исследования показывают, что лишь несколько процентов старых нейтронных звезд находятся на стадии аккреции. Поэтому большинство объектов этого типа недоступно для наших наблюдений.

      В последнее время большое развитие получили исследования слияния двойных нейтронных звезд. Если в состав тесной двойной системы входит два компактных объекта (нейтронные звезды или черные дыры), то они будут довольно быстро сближаться за счет излучения гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности. В случае достаточно тесной системы слияние произойдет за время, меньшее возраста Вселенной. В 1970-е гг. была открыта первая такая система, состоящая из двух нейтронных звезд, одна из которых – радиопульсар. Они должны сблизиться и слиться через несколько сотен миллионов лет. За это открытие Р.Халси Дж.Тейлор в 1993 г. получили Нобелевскую премию по физике. При таком слиянии выделяется колоссальное количество энергии (больше чем при взрыве сверхновой). Слияния связывают с космическими источниками гамма-всплесков. Кроме этого заканчивается строительство нескольких крупных детекторов гравитационных волн, которые позволят зафиксировать гравитационно-волновой всплеск при слиянии двойных компактных объектов. Это позволит получить много новых данных по физике нейтронных звезд.

      Если на нейтронную звезду выпадет слишком много вещества, то она может превратиться в черную дыру, т. к. ничто (в том числе и давление вырожденного нейтронного газа) не сможет противостоять гравитации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Черные дыры.

      Черные дыры – области пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. Черная дыра отделена от остального пространства «горизонтом событий» - поверхностью, на которой вторая космическая скорость равна скорости света. Поскольку в природе ничто не может двигаться с большей скоростью, никакой носитель информации не может выйти из-под горизонта событий (часто его называют «поверхностью черной дыры»). Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие «под поверхностью» черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающее снаружи на черную дыру, может свободно проникать через горизонт событий. Проще говоря, черная дыра все поглощает, но ничего не выпускает; это и стало причиной такого ее названия, предложенного в 1968 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

      В 1783 г. английский геолог и астроном Джон Мичелл первым предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Эту же идею высказал в своей книге «Система мира» французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил записать ему следующие знаменитый слова: «Светящаяся звезда с плотностью равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Мичела и Лапласа о черных дырах оказалась забыта.

      Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916 г. , когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только-что созданной тогда Эйнштейном теории гравитации. Пользуясь решением Шварцшильда можно найти зависимость радиуса коллапсирующей звезды от времени, отсчитанного по часам «внешнего» (например, земного) наблюдения:

                                                                                                (8)

где = 2GM/c - так называемый «гравитационный радиус», а сфера радиуса называется «сферой Шварцшильда». Заметим, что для Солнца = 2,96 км, а для Земли = 0,44 см, r — радиус звезды в момент t , причем в формуле (8) предполагается, что  (r − ) . 

      В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались.

      Правда, в 1930-е годы, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов – белых карликов и нейтронных звезд — как продуктов эволюции нормальных звезд. Оказалось, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. В 1939 г. американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Но поскольку такой, как говорили тогда, «коллапсар» или «застывшая звезда» не излучает электромагнитных волн, астрономы понимали, что обнаружить ее в космосе невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.

      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 невидимых массивных спутников в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры весьма 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 на короткое время источником рентгеновского излучения.

      Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, астрономам удается, измеряя скорость звезды, определить массу ее невидимого компаньона и доказать, что это действительно черная дыра. Теория эволюции звезд показывает, что если масса сжимающегося ядра звезды превосходит 3M , то ничто не может остановить его коллапс и превращение в черную дыру. Астрономы выявили уже более дюжины двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3M , и заметили у них проявления активности вещества, падающего в черную дыру, например, очень быстрые колебания блеска, характерные для горячего газа, стремительно вращающегося вокруг компактного объекта. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6M . Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 находится в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако.

      Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звезды, вещество которых образует вокруг черной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них черных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. В последнее время получены весьма убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой около 2,5 млн масс Солнца.

      Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно они считаются источником активности в ядрах квазаров — молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.

      В последние годы теоретики довольно много занимались абстрактными математическими свойствами черных дыр. Например, исследовались возможности столкновения черных дыр с обыкновенными звездами и между собой. Оказывается, что после таких столкновений могут образовываться новые черные дыры, причем в течение короткого времени /c ≈ 10 секунды они будут находиться в сильно возмущенном состоянии, характеризующимся мощным излучением гравитационных волн, после чего они опять «успокаиваются». Самым общим образом было доказано несколько важных математических теорем о черных дырах. Сформулируем две из них:

а) образовавшаяся каким-либо способом черная дыра никогда не может быть разрушена; б) одна черная дыра никогда не может разделиться на две черные дыры, хотя обратный процесс возможен.

      Однако при всей важности этих проблем для астрофизиков (да и не только астрофизиков) основное — это обнаружить во Вселенной реальные (так сказать, «живые», хотя и лишенные «собственных волос») черные дыры. Ибо теоретическая возможность их существования еще не означает, что они обязательно должны существовать. Ведь вполне мыслимы и такие процессы, которые препятствуют образованию «черных дыр». Например, можно себе представить, что на последних фазах эволюции массивные звезды вместо того, чтобы коллапсировать, разрушаются на отдельные части (фрагментируют). К этому типу эволюции может привести быстрое вращение звезды либо ядерные реакции. Образовавшиеся «осколки» будут слипаться и в конце концов превратятся в сравнительно устойчивую кратную систему. Мыслимы и другие пути эволюции сравнительно массивных звезд. Только конкретные астрономические наблюдения могут доказать реальность «черных дыр».Что же это за наблюдения?

      В принципе сейчас можно указать по крайней мере на три вида таких наблюдений: 1. Поиски «невидимых» черных дыр в двойных (или кратных) звездных системах.

2. Поиски черных дыр в двойных звездных системах, являющихся мощными источниками рентгеновского излучения.

3. Поиски гравитационного излучения, сопутствующего коллапсу.

      Что касается поисков невидимых, но достаточно массивных компонент в двойных системах, то следует заметить, что эта задача столь же трудна, как и неопределенна. Хотя разные авторы в последние годы обращали внимание на несколько «подозрительных» двойных систем (в том числе знаменитая система β Лиры, а также δ Близнецов, ε Водолея и ряд других объектов), результаты их анализа все же не отличаются определенностью, а главное, однозначностью. Ведь «невидимость» массивной компоненты не обязательно объясняется ее «чернодырной» природой. Звезды обнаруживают удивительное разнообразие характеристик, особенно в двойных системах. Кроме того, нельзя исключить возможность того, что вокруг «подозреваемой» звезды имеется пылевое облако, делающее ее невидимой.

      Значительно более перспективными представляются попытки обнаружить черные дыры в тесных двойных системах по рентгеновскому излучению одной из компонент. Можно себе представить тесную двойную систему, одной из компонент которой является черная дыра. «Оптическая» компонента у такой системы может заполнять свою полость Роша и мощная струя газа будет падать на черную дыру. Так как струя газа несет с собой большой вращательный момент, то она образует вокруг черной дыры быстро вращающийся газовый диск. Частицы, образующие диск, будут вращаться вокруг черной дыры приблизительно по закону Кеплера. Из-за вязкости частицы диска будут непрерывно терять вращательный момент и часть их будет постепенно «оседать» в черную дыру. В процессе такого оседания, как можно показать, газ будет излучать во внешнее пространство часть своей гравитационной потенциальной энергии.

      В процессе оседания газа в черную дыру температура внутренних частей диска станет очень высокой. Такой диск может быть мощным источником рентгеновского излучения. Мощность и спектр излучения в первом приближении такие же, как и от нейтронных звезд — рентгеновских пульсаров. Разумеется, рентгеновское излучение при аккреции газа на черную дыру не может носить характер строго периодических импульсов (как у Геркулеса Х-1 и Центавра Х-3). Но ведь далеко не все рентгеновские пульсары — нейтронные звезда — излучают «секундные» импульсы. Этому может, например, помешать сильное рассеяние или «неблагоприятная» (по отношению к земному наблюдателю) ориентация оси вращения нейтронной звезды. В то же время рентгеновский источник — горячий компактный диск, вращающийся вокруг нейтронной звезды, может из-за своего орбитального движения вокруг «оптической компоненты» периодически затмеваться точно так же, как и рентгеновский пульсар.