Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
Ключ к пониманию природы некоторых из этих рентгеновских звёзд появился при открытии пульсаций в рентгеновской области у четырёх из этих источников. Четыре звезды оказались рентгеновскими пульсарами, т.е. скорее всего вращающимися нейтронными звёздами. Это SMC Х-1 (период пульсаций 0,716 с), Парус Х-1 (период пульсаций 282,9 с), Центавр Х-3 (период пульсаций 4,842 с) и Геркулес Х-1 (период пульсаций 1,238 с). Чтобы понять детали механизма, определяющего генерирование рентгеновского излучения этих звёзд, астрофизикам пришлось начать с нескольких уже знакомых исходных представлений.
Ещё в XIX в. астрономы уделяли много времени поискам и исследованию двойных звёзд. В то время как астрономы наблюдали небесные тела, математики и физики выполняли расчёты для того, чтобы разобраться в свойствах двойных звёздных систем. Они нашли, в частности, что вокруг компонентов двойной звезды
РИС. 13.3. Предельные поверхности Роша. Вокруг пары звёзд, составляющих двойную систему, можно нарисовать кривую, напоминающую восьмерку (мы наблюдаем систему сбоку). Весь газ внутри одной петли восьмерки принадлежит звезде в центре этой петли. Если по какой-то причине газ выбрасывается за пределы поверхности Роша, то выброшенное вещество покидает звезду навсегда. В данном случае звезда 1 более массивна, чем звезда 2
Предположим, что одна звезда двойной системы выбрасывает вещество за пределы Роша. Это может. случиться по одной из двух причин. Прежде всего в ходе своей эволюции звезды, расширяясь, иногда во много раз увеличивают свои первоначальные размеры. В гл. 6 отмечалось, что это происходит, когда звёзды становятся красными гигантами. Если в результате такого превращения звезда в двойной системе становится больше, чем границы её предела Роша, то эта звезда выбрасывает часть своего вещества в космос. Таким путём одна из звёзд двойной системы может потерять значительную долю своей массы.
Второй, значительно более медленнее действующий фактор, влияющий на потерю звёздной массы, - это звёздный ветер. У астрономов имеются веские основания считать, что все звёзды постоянно выбрасывают в космос потоки атомных частиц. Так, с помощью искусственных спутников астрономы обнаружили потоки частиц, идущие от Солнца. Это явление называется солнечным ветром. Хотя солнечный (или звёздный) ветер уносит немного вещества, постепенная утечка частиц в космос может вести к ряду важных последствий. Оба механизма потери массы проиллюстрированы на рис. 13.4.
РИС. 13.4. Потеря массы. Компонент двойной системы может терять массу посредством двух процессов. Если эта звезда переходит свои пределы Роша, скажем просто расширяясь до слишком больших размеров, то в космос может быть выброшено большое количество вещества. Кроме того, частицы, покидающие поверхность звезды в виде звёздного ветра, тоже могут выйти за пределы Роша. Второй механизм действует намного медленнее, чем первый.
Когда звезда в двойной системе выбрасывает вещество за пределы Роша, часть его может пройти через внутреннюю точку Лагранжа и упасть на вторую звезду. Если эта вторая звезда достаточно велика, то приходящее вещество станет падать прямо на поверхность звезды - гиганта; тогда говорят, что происходит аккреция вещества звездой. Однако если вторая звезда невелика по размерам,, приходящее к ней вещество будет захватываться на орбиты вокруг неё. В итоге вещество образует диск или кольцо вокруг звезды - нечто вроде колец Сатурна. Такое кольцо из вещества другой звезды называется диском аккреции. Подобно тому как Меркурий обращается вокруг Солнца быстрее, чем Плутон, внутренний край диска аккреции вращается быстрее, чем внешний. Тот факт, что разные части диска аккреции вращаются с различными скоростями, означает, что слои газа внутри диска подвергаются постоянному трению. Такое трение нагревает этот газ и вызывает его спуск по спирали к поверхности звезды. Если эта звезда оказывается нейтронной, обладающей мощным магнитным полем, то аккрецируемое вещество засасывается, как в воронку, к северному и южному магнитным полюсам. Расчёты показывают, что вещество при падении сталкивается с поверхностью нейтронной звезды с такой скоростью, что возникает мощный поток рентгеновских лучей. В этом состоит сущность той модели, с помощью которой астрофизики объясняют свойства рентгеновских пульсаров типа Центавр Х-3 и Геркулес Х-1.
Если в состав рентгеновских двойных звёзд могут входить пульсары, то что можно сказать о чёрных дырах? Что будет происходить, если в центре диска аккреции окажется не нейтронная звезда, а чёрная дыра? Для ответа на эти важные вопросы в 1971 г. были начаты подробные теоретические исследования. В Москве Шакура и Сюняев, а в Кембридже Прингл и Рис приступили к ним, опираясь на теорию Ньютона. Хотя их расчёты основывались на классической, а не релятивистской теории, стало ясно, что вещество в диске аккреции вокруг чёрной дыры может испускать мощный поток рентгеновских лучей. Это замечательное открытие заставило многих других физиков более тщательно повторить подобные же расчёты, привлекая общую теорию относительности. К середине 1970-х годов Торн, Пейдж и Прайс в Калифорнийском технологическом институте (США) сумели разобраться во многих деталях. Построенная модель показана на рис. 13.5.
РИС. 13.5. Диск аккреции вокруг чёрной дыры. Согласно расчётам Торна и др., поперечник диска аккреции вокруг чёрной дыры в двойной системе должен быть порядка 3 млн. км. Рентгеновские лучи испускаются самой внутренней частью диска на расстоянии всего 300 км от чёрной дыры. Данный чертёж выполнен в масштабе, соответствующем ожидаемому в случае системы Лебедь Х-1.
Если в двойную систему входит чёрная дыра и обычная звезда, причем последняя изливает вещество через свой предел Роша, то вокруг чёрной дыры сформируется диск аккреции. По мере перехода газа через внутреннюю точку Лагранжа он будет захватываться на орбиту вокруг чёрной дыры. Согласно расчётам, поперечник диска аккреции составит несколько миллионов километров, однако толщина его будет меньше 150000 км. Такой уплощенный характер диска обусловлен действием на газ центробежной и гравитационной сил. Поскольку расчёты гравитационного поля чёрной дыры в диске аккреции должны быть по возможности реалистичными, то есть все основания предположить, что чёрная дыра вращается и потому описывается решением Керра.
Когда газ первоначально захватывается на внешний край диска аккреции, его температура примерно такая же, как на поверхности обычной звезды, откуда он был выброшен. Вскоре газ начинает разогреваться благодаря трению между его слоями, вращающимися вокруг чёрной дыры на разных расстояниях. Под действием трения температура газа растет по мере того, как он по спирали опускается вниз к чёрной дыре. С ростом температуры «спиралящегося» газа увеличивается и давление внутри диска. Возросшее давление газа стремится расширить диск в толщину. Однако на большей части диска гравитационное поле вращающейся чёрной дыры достаточно сильно для того, чтобы диск оставался очень тонким. Лишь на высоте около 80000 км над дырой давление газа оказывается настолько сильным, что диск «толстеет». Поэтому внутренняя часть диска аккреции содержит «раздутый» участок с поперечником около 150000 км.
В среднем порции газа требуется несколько недель или месяцев для того, чтобы пройти по спирали от внешнего края диска аккреции до внутреннего. Когда газ оказывается на расстоянии нескольких сотен километров от чёрной дыры, он разогревается благодаря внутреннему трению до температуры в десятки миллионов градусов. Любое вещество, нагретое до столь высоких температур, начинает интенсивно испускать рентгеновские лучи. Их интенсивность должна быть столь велика, что спутник «Ухуру» обязательно должен был зарегистрировать любую чёрную дыру с диском аккреции, если только она находится не слишком далеко от нас. У внутреннего края диска аккреции гравитационное поле дыры настолько сильно, что спускающийся по спирали газ засасывается здесь в дыру за доли секунды.
Если посмотреть на список восьми рентгеновских двойных звёзд, то из списка кандидатов в чёрные дыры сразу исключаются четыре пульсара. Никакой механизм, связанный с чёрными дырами, не может порождать регулярных импульсов, так что при наличии подобных импульсов наиболее разумным объяснением является нейтронная звезда, а не чёрная дыра. Что же можно сказать об остальных четырёх? Они могут оказаться чёрными дырами, но это могут быть и нейтронные звёзды, расположенные относительно Земли так, что мы не наблюдаем на Земле излучаемых ими импульсов, а может быть, это даже белые карлики в центре диска аккреции. Каким же путём астроном сможет сделать надёжный выбор из всех перечисленных возможностей?