Как увидеть черную дыру?

Внешне все выглядит довольно обычно. К небольшому телескопу — рефлектору с зеркалом диаметром 60 сантиметров — прикреплен фотометр, регистрирующий изменения яркости звездного объекта. Преобразовав кванты излучения в электронные импульсы, он передает эту информацию по кабелю в устройство, которое измеряет промежутки времени между отдельными квантами и выражает результат словами из двоичных букв. Далее запись вводится в мощный компьютер.

Поражает здесь то, что установка регистрирует промежутки времени вплоть до 10^-7 секунды! Более того, в интервалах между наносекундными импульсами этот комплекс аппаратуры, носящий странное название МАНИЯ (многоканальный анализ наносекундных изменений яркости), успевает переброситься с входящим в его состав компьютером кучей слов, каждое из которых состоит из 28 двоичных букв.

Итак, компьютер запомнил и обработал сообщение, теперь он не спеша выдает исследователю предварительный график, по которому можно судить, сколь быстропеременным был объект наблюдения. Если его яркость менялась сравнительно медленно, — значит в объективе находилась обычная звезда. Если же частота колебаний измерялась нано или микросекундами, это может означать, что мы увидели не что иное, как… «черную дыру».

Но можно ли вообще ее увидеть? По современным представлениям — нет. Чудовищная гравитация тела, размеры которого не превышают десяти километров, а масса сравнима с солнечной, не позволяет вырваться из этой западни ни одному лучу света, ни одному электромагнитному колебанию. И все же у горы Пастухова, вблизи Главного Кавказского хребта, где расположена Специальная астрофизическая обсерватория периодически «обшаривают» небо с помощью оптического телескопа и комплекса МАНИЯ в надежде обнаружить эти, пожалуй, самые загадочные объекты Вселенной. Сотрудник CAO кандидат физико-математических наук Виктор Шварцман, разработавший эту установку, предложил путь, идя по которому, возможно, удастся увидеть невидимое.

Да, из «черной дыры» действительно, не может исходить никакое излучение — в этом и состоит ее физическая сущность. Всякая порция вещества, вовлеченная в гравитационную воронку, прибавит ей массы, но светимость по-прежнему останется нулевой. Однако давайте подумаем, что будет происходить в ближайших окрестностях «черной дыры». Вещество, попавшее в зону действия гравитационного поля, начнет с ускорением двигаться к его центру. Вторая космическая скорость для «черной дыры» равна скорости света; следовательно, такой же скорости достигнет у ее границ свободно падающее тело (точно так же, как у поверхности Земли тело, не испытывая сопротивления атмосферы, разогналось бы до 11,2 километра в час).

Прежде чем провалиться в тартарары, падающая плазма разогревается до температур 10¹² (триллион) градусов Кельвина; электроны плазмы становятся ультрарелятивистскими (то есть их скорость почти достигает скорости света). Напряженность магнитных полей вблизи самой «черной дыры» становится в сотни тысяч раз больше, чем, например, на поверхности Солнца.

В мощных магнитных полях ультрарелятивистские электроны интенсивно излучают свою энергию. Расчеты показывают, что испускаемые при этом электромагнитные кванты должны относиться главным образом к оптическому диапазону. Правда, небольшая часть энергии одновременно может выделяться в инфракрасном и радиодиапазонах, но так или иначе «черная дыра», точнее, ее окрестности могут оказаться видимыми.

Падение вещества на притягивающий его объект с выделением энергии получило название аккреции. Этот совсем молодой термин все чаще мелькает в астрофизической литературе; новое понятие обещает принести ощутимые плоды. Ученые Рашид Сюняев и Николай Шакура, развивая теорию аккреции, исследовали этот процесс применительно к «черным дырам», входящим в двойные системы с оптическими звездами. (Шварцман занимается главным образом одиночными «черными дырами».) Несмотря на то, что природа этих объектов тождественна, в зависимости от того, находится ли они в одиночестве или терпят чье-либо соседство, картина аккреции различна.

В двойных системах массивный сосед, желает он того или нет, должен экспортировать ненасытной дыре часть газа из своей атмосферы, и поток аккрецирующего вещества в этом случае будет намного мощнее. Казалось бы, обстоятельство счастливое: чем больше газа, тем ярче диск вокруг дыры. Но нет, тонкости теории вынуждают пригасить оптимизм. Мощный поток газа даст уже не оптическое, а рентгеновское и частично ультрафиолетовое излучение, недоступные для непосредственного наблюдателя с поверхности Земли. Одиночная же дыра «питается» межзвездным газом, плотность которого, как известно, очень мала — примерно один атом на кубический сантиметр пространства.

Окружающий ее ореол чрезвычайно слаб, но его все же можно увидеть как слабый оптический или радиообъект. Но как отличить «черную дыру» от обычной слабой звезды? По некоторым характерным особенностям излучения. В релятивистском потоке газа протекают бурные плазменные процессы, поэтому светимость должна меняться с огромной частотой — сотни тысяч раз в секунду и к тому же в чисто случайном порядке. Колебания светимости обычных звезд несравненно медленнее, и в них можно отыскать определенные закономерности. Поиск быстропеременных колебаний возможен с помощью комплекса МАНИЯ. Он ведется автоматически, и компьютер вычерчивает графики только для тех порций излучения, в которых обнаружены быстрые изменения.

Автор: В. Шикан.