Проблемы современной астрофизики

Главная

Космические гамма-всплески

Космологическая проблема

Поиск черных дыр

Поиск черных дыр и "микроквазары" в нашей галактике

Черная дыра - тело массы M, для которого не существует гидростатически равновесных конфигураций с размером больше гравитационного радиуса R_G = 2GM / c². Черные дыры с массой свыше примерно 3M_S (где M_S - масса Солнца) - теоретический предел массы холодного тела, при превышении которого коллапс (сжатие) в черную дыру неизбежен, - представляют собой конечные стадии эволюции наиболее массивных звезд. Менее массивные, так называемые "первичные" черные дыры могут возникать на первых стадиях космологического расширения. Наконец, сверхмассивные черные дыры (с массами в миллиарды солнечных) могут формироваться в центрах галактик в результате слияния звезд при их столкновениях в галактических ядрах. Черные дыры можно обнаружить либо кинематически, по движению небесных тел в их гравитационном поле, либо по их излучению.

Возможность существования сверхмассивных черных дыр в центрах галактик можно проверить, изучая движение вокруг них звезд и межзвездного вещества. Например, для галактики M87 подобные исследования дают оценку центральной массы M $\approx$ (10⁸ - 10⁹)M_s . Такая гигантская масса сосредоточена в малой области в центре этой галактики, что возможно лишь при наличии там черной дыры. Подобные выводы следуют и из наблюдения вращающегося тора из газа и пыли вокруг центра галактики NGC4258. Вещество в торе движется по круговой траектории радиусом около 0,3 световых года со скоростью 1000 км/с, что дает оценку плотности вещества вблизи центра этой галактики $\geq$ 4 $\cdot$ 10⁹M_s / пк³. Объект с такой плотностью не может быть звездным скоплением: столкновения звезд с характерным временем 100 млн. лет должны привести к возникновению сверхмассивной черной дыры.

Проблема поиска реально существующих черных дыр звездной массы сводится прежде всего к отысканию компактных объектов в двойных системах с массой > 3M_s . Пусть в состав двойной системы входят обычная звезда массы M_* и компонент неизвестной природы массы M_x . Орбитальное движение обычной звезды приводит к периодическому доплеровскому смещению линий в ее спектре с периодом, равным орбитальному T_orb , и амплитудой, пропорциональной $\upsilon_{0} = 2\pi a_{0} \sin{i}/T_{orb}$ , где $a_{0}$ - радиус орбиты обычной звезды, i - угол между плоскостью орбиты и лучом зрения. Если величины T_orb и $\upsilon_{0}$ известны из наблюдений, то можно вычислить так называемую функцию масс системы: $f=(M_{x}\sin{i})^{3}/(M_{x}+M_{*})^{2}=T_{orb}\upsilon_{0}^{3}/G$ [2]. Так как $\sin{i}\leq 1$ , то для маломассивных двойных систем с $M_{x}\gg M_{*}$ функция масс дает нижний предел массы компактного объекта: $M_{*}\geq f$ . В настоящее время известны несколько маломассивных двойных систем с компактными объектами - кандидатами в черные дыры: Лебедь Х-1 ( f > 6 - 15M_S ), V404 Лебедя ( f > 8M_S ), А0620-00 ( f > 4M_S ), рентгеновская новая в созвездии Мухи ( f > 4M_S ).

Все указанные двойные системы с кандидатами в черные дыры являются мощными источниками рентгеновского и гамма-излучения с нетепловым (степенным) спектром, в котором иногда даже наблюдается аннигиляционная линия. Собственное излучение дыры имеет равновесный спектр и обусловлено квантовым эффектом ее "испарения". Мы не рассматриваем этот эффект в данной статье и отсылаем читателя к книгам [2],[4]. Для черных дыр звездной массы и более массивных температура собственного излучения весьма мала. Излучение в их ближайшей окрестности генерируется в основном за счет аккреции (захвата) вещества из межзвездной среды или со звезды-компаньона в двойной системе. Как показывают расчеты, эффективность энерговыделения при аккреции на черную дыру может доходить до 0,3 энергии покоя аккрецируемого вещества [2].

Модель аккрецирующей черной дыры обычно привлекают и для объяснения комплекса явлений в центрах активных галактик и квазаров: высокой светимости L $\approx$ 10⁴⁶ - 10⁴⁸ эрг/с; нетеплового характера спектра излучения; быстрой переменности интенсивности излучения с характерными временами до нескольких дней и даже часов (что ограничивает максимальный размер излучающей области величиной 10 - 100 астрономических единиц); наличия двух выбросов (джетов), разлетающихся в противоположных направлениях от центрального источника.

Недавно было обнаружено несколько уникальных рентгеновских источников в нашей Галактике. Их спектры весьма похожи на спектры "стандартных" кандидатов в черные дыры (рис. 3).

Рис. 3. Рентгеновский спектр кандидата в черные дыры - источника с аннигиляционной линией 1E1740.7-2942 вблизи центра Галактики [7]. Вертикальная штриховая линия соответствует 511 кэВ - энергии фотонов, рождаемых при двухфотонной аннигиляции электрон-позитронных пар.

По данным радионаблюдений были обнаружены выбросы-джеты, весьма напоминающие джеты квазаров и активных галактик (рис. 4).

Рис. 4. Радиоизображения "микроквазаров" в нашей Галактике: (а) радиокарта рентгеновского источника 1E1740.7-2942 (см. рис. 3) на длине волны 20 см [8]. Штриховой линией показана область локализации рентгеновского источника. Стрелкой указан компактный радиоисточник, который ассоциируется с 1E1740.7-2942. Видны джеты, истекающие в противоположных направлениях. Изображение проецируется на молекулярное облако, радиокарта которого также показана на рисунке; (б) радиоизображения на длине волны 3,5 см ярких компонентов, разлетающихся из рентгеновского источника GRS1915+105 (его положение отмечено крестиком). Вертикальное расстояние пропорционально времени между наблюдениями. Наблюдения выполнены в 1994 году.

Несмотря на огромное различие масштабов, эти объекты весьма схожи в качественном отношении. Возможно, это указывает на общую причину таких явлений - активность в окрестности черных дыр. Поэтому вполне вероятно, что дальнейшие исследования "микроквазаров" в Галактике позволят лучше понять, как устроены гигантские "машины" в центрах квазаров, формирующие подобные структуры с гораздо большими пространственными масштабами и энергетикой.

Интересно, что в источнике GRS1915+105 в созвездии Орла видимая скорость разлета отдельных сгустков в джетах превышает скорость света (рис. 4б).

Рис. 5. К объяснению эффекта сверхсветового разлета джетов.

"Сверхсветовой" разлет наблюдается и в джетах активных галактик и квазаров. Поясним, как возникает кажущийся эффект сверхсветового движения в плоскости, перпендикулярной лучу зрения (рис. 5). Рассмотрим "приближающуюся" струю, скорость которой направлена под острым углом $\theta$ к лучу зрения. Излучение, испущенное в точках А и В, регистрируется удаленным наблюдателем в моменты времени t_A и t_B , причем t_A-t_B = r_AB/ $\upsilon$ + r_AC/c. За это время вещество струи смещается поперек луча зрения на расстояние r_BC = r_AC sin $\theta$ . Поэтому видимая поперечная скорость "приближающейся" струи $\upsilon_{+} = \upsilon \sin{\theta}/(1 - ( \upsilon /c)\cos{\theta})$ . Аналогично, для "удаляющейся" струи $\upsilon_{-} = \upsilon \sin{\theta}/(1 + ( \upsilon /c)\cos{\theta})$ . Для малых $\theta$ и достаточно больших возможно $\upsilon_{+} > c$ . Если известны наблюдаемые угловые скорости противоположно направленных джетов: $\mu_\pm = \upsilon_\pm / D$ , где - расстояние до источника, то $(\upsilon / c)\cos{\theta}=(\mu_{+} - \mu_{-} )/(\mu_{+} + \mu_{-} )$ и $D = (\ctg{\theta} /2)(\mu_{+} - \mu_{-} )/(\mu_{+} + \mu_{-} )$ . Для источника GRS1915+105 величина $(\upsilon / c)\cos{\theta}\approx$ 0,323, что приводит к видимому сверхсветовому разлету джетов. Вместе с условием $(\upsilon / c)$ < 1 эта величина дает верхние пределы $\theta \leq$ 71° и $D \leq$ 13,7 кпк; последнее однозначно указывает на галактическую природу объекта.

Построение теоретических моделей "микроквазаров" требует анализа физических процессов вблизи черных дыр и отыскания механизмов, которые приводят к появлению электрон-позитронных пар, генерации рентгеновского и гамма-излучения (включая аннигиляционную линию), ускорению частиц в джетах до релятивистских скоростей и генерации их радиоизлучения. Все эти проблемы еще ждут своего решения.

абаши на domaste.ru; Специальная астрофизическая обсерватория ран. Обсерватория доклад.; производство и продажа сэндвич панелей в Москве; пивные бокалы; казан купить; грузоперевозки екатеринбург тюмень; грузоперевозки китай владивосток; грузоперевозки г нижний новгород; аренда коттеджей недорого; проведение праздников в петербурге недорого