Космический свет и черные дыры
Модели сверхсверхновой. Космические лучи из черных дыр. Спаренная дыра. Неучтенные дыры.
Две группы ученых предложили конкурирующие объяснения вспышки сверхновой звезды феноменальной мощности, которую 18 сентября 2006 года зарегистрировала американская орбитальная обсерватория Chandra. Ее свет пришел из галактики NGC 1260, отстоящей от Земли на 238 миллионов световых лет. В соответствии с международной системой наименования сверхновых, она была внесена в каталоги как SN 2006gy. Эта звезда сразу же заинтересовала ученых, поскольку полная мощность ее излучения стократно превысила соответствующий показатель для типичных сверхновых. С самого начала было ясно, что SN 2006gy взорвалась совершенно нестандартным образом. Сверхновые звезды делятся на две большие группы. Сверхновые первого типа вспыхивают только в звездных парах. Сверхновые типа II рождаются в самом конце жизни одиночных массивных звезд, исчерпавших свое ядерное топливо. Некоторые астрофизики сразу же предположили, что в лице SN 2006gy наука столкнулась с первым примером взрыва одиночной сверхмассивной звезды, который был в теории предсказан еще в конце 60-х годов прошлого века, но до сих пор никогда не наблюдался. Природа обычных сверхновых второго типа сейчас хорошо известна. Их типичные предшественники – молодые горячие звезды, весящие более десяти солнечных масс. Они сжигают свое ядерное топливо с огромной скоростью и потому живут не более нескольких миллионов лет. В финале такой звезды у нее образуется железное ядро, покрытое слоями кремния и других легких элементов и заключенное в водородную оболочку. Это ядро под давлением вышележащих слоев сжимается с огромной скоростью, составляющей до двадцати процентов скорости света. Его плотность возрастает настолько, что электроны буквально вжимаются в атомные ядра и сливаются с протонами, превращаясь в нейтроны и нейтрино. Нейтроны остаются на месте, нейтрино покидают звезду, а ядро продолжает сжиматься. На этой стадии возможны два сценария. Ядра звезд, которые в начале жизни весили от двадцати до ста солнечных масс, претерпевают тотальный гравитационный коллапс и дают начало черным дырам. У звезд в диапазоне 10-20 солнечных масс образуются ядра из нейтронной материи, плотность которой в 100 триллионов раз превышает плотность воды. Внешние слои звезды под действием тяготения обрушиваются на ядро и «отскакивают» от него со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. В результате возникает ударная волна, буквально разрывающая звезду изнутри. От нее остается деформированный нейтронный шар радиусом в несколько километров, окруженный разлетающимся облаком светящейся плазмы. Такие шары называют нейтронными звездами. Для звезд с массой более ста солнечных масс существует иной сценарий, просчитанный еще сорок лет назад. Согласно этой модели, температура их ядер возрастает настолько, что на определенной стадии там в изобилии появляются гамма-кванты очень высоких энергий, которые, сталкиваясь, превращаются в электронно-позитронные пары. Из-за этого плотность гамма-излучения уменьшается, и внешние слои звезды, которые ранее держались за счет его давления, падают в ее центр. Этот процесс разогревает звездное ядро до такой степени, что оно разлетается на части, не успевая сколлапсировать в черную дыру. Расчеты показывают, что пиковая мощность такого взрыва должна в десятки раз превышать мощность рядовых сверхновых второго типа. После регистрации звезды SN 2006gy некоторые специалисты сразу же предположили, что она взорвалась именно по такой схеме. Однако эта точка зрения не стала общепринятой. 15 ноября в журнале Nature появились две статьи, в которых описаны альтернативные варианты судьбы погибшего светила. Один сценарий разработан профессором Калифорнийского университета в Санта-Крус Стэнфордом Вусли, гостящим там сотрудником московского Института теоретической и экспериментальной физики Сергеем Блинниковым и астрофизиком из ФРГ Александром Хегером. Фактически это модификация модели сорокалетней давности. Соавторы считают, что SN 2006gy действительно изначально весила свыше ста солнечных масс (по их оценке, 110), однако претерпела не один, а два взрыва, которые проходили по только что описанной схеме. Первый взрыв развеял по пространству не всю звезду, а лишь ее внешние слои, и потому дал вспышку умеренной яркости. Внутренние слои продолжали сжиматься и через десять лет были разбросаны вторым взрывом. Они нагнали вещество, разлетевшееся после первого взрыва и столкнулись с ним на огромной скорости. В результате в пространстве возникла чрезвычайно нагретая плазменная оболочка. Она и породила «сверхвспышку», свет от которой дошел до Земли в сентябре прошлого года. Второй сценарий представлен в статье голландских ученых Симона Зварта и Эдварда ван ден Хеувела. По их мнению, причиной прошлогодней вспышки стало соударение двух огромных, но все же не сверхмассивных звезд, старой и сравнительно молодой. Эта гипотеза уже не нова, она была опубликована несколькими месяцами раньше. Зварт и ван ден Хейвел считают, что столкнувшиеся светила находились в центральной зоне галактики NGC 1260, где скопилось куда больше звезд, чем на ее периферии. Выполненные ими расчеты показывают, что шансы на такую звездную встречу достаточно реальны. Соответствует ли истине хотя бы одна из этих моделей, и если да, то какая? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно продолжать наблюдения за галактикой, где родилась вспышка. Этим астрономы и занимаются. Интернациональный исследовательский коллектив утверждает, что ему удалось пролить свет на происхождение космических лучей сверхвысоких энергий. Космическими лучами называют потоки заряженных частиц, приходящие на Землю со всех направлений небесной сферы, в том числе и от Солнца. Один процент внесолнечных частиц составляют электроны, примерно 90% - протоны, и еще 7% – альфа-частицы, ядра гелия. Остаток приходится на ядра более тяжелых элементов, включая литий, бериллий, кислород и железо. Скорости и, следовательно, энергии космических частиц могут различаться на много порядков. Самые медленные частицы приходят на Землю от Солнца и других звезд. Их энергии измеряются всего лишь сотнями миллионов электронвольт и в тысячи раз уступают энергиям, доступным современным ускорителям. Источники космических лучей среднего диапазона энергий тоже известны, они рождаются при взрывах сверхновых. Однако иногда, точнее, очень редко, из космоса приходят частицы, энергии которых в десятки и сотни миллионов раз превосходят энергию протонов, разогнанных до триллиона электронвольт в крупнейшем в мире ускорителе, американском Тэватроне. Их происхождение до сих остается предметом споров. Астрофизики уже десятки лет подозревают, что источники таких частиц надо искать в активных галактических ядрах. Так называют центральные зоны многих галактик, которые постоянно генерируют мощнейшие электромагнитные излучения. Принято считать, что эти излучения возникают в процессах взаимодействия исполинских черных дыр с окружающей материей. Естественно предположить, что при этом в пространство выбрасываются потоки протонов и других заряженных частиц, которые движутся практически со скоростью света и иногда достигают Земли в виде космических лучей сверхвысоких энергий. Теперь эта гипотеза выглядит более правдоподобной благодаря только что опубликованным результатам исследовательского консорциума, объединяющего почти 90 научных центров США и еще шестнадцати стран. Его участники работают в расположенной в Аргентине международной Обсерватории имени Пьера Оже, крупнейшего и самого продвинутого научного, занимающейся исследованием космических излучений. Ее детекторы, расположенные на территории площадью в 3000 квадратных километров, позволяют определить направление движения частиц с точностью до одного градуса. Что же конкретно выяснили эти ученые? Они проследили, откуда пришли 15 частиц, энергии которых более чем в 60 миллионов раз превышали энергию Тэватрона. В двенадцати случаях их траектории на подходе к Земле примерно совпали с направлениями на уже известные галактики с активными ядрами, расположенные не далее 250-300 миллионов световых лет от Земли. В принципе, такие совпадения можно объяснить простой случайностью, однако авторы статьи считают, что вероятность подобного исхода не превышает одного процента. Поэтому они склоняются к выводу, что прослеженная корреляция действительно позволяет судить о происхождении космических лучей самых высоких энергий. Один из участников проекта, физик из университета Юты Мигель Мостафа в телефонной беседе с «Голосом Америки» отметил, что конкретные механизмы разгона частиц до энергий порядка 10 в 20-й степени электронвольт в окрестностях черных дыр пока не никому не известны. Чтобы разрешить эту проблему, нужны новые наблюдения. По его мнению, теперь их вести легче – ученые точно знают, куда смотреть. Можно ли счесть, что происхождение сверхбыстрых космических частиц теперь надежно установлено? Гарвардский профессор астрофизики Ави Лэб, с которым я тоже побеседовал, считает, что это не так. Он отметил, что охотники за космическими частицами установили направления только на галактики с активными ядрами, а не на сами ядра. Поэтому нельзя исключить, что зарегистрированные частицы были разогнаны не в ядрах, а в других областях этих галактик. Кроме того, этих частиц просто слишком мало для серьезных заключений, всего лишь пятнадцать. Так что надо набрать больше данных, а потом уже делать выводы. Американские астрофизики обнаружили непомерно массивную черную дыру, спаренную с обычной звездой. Черные дыры присутствуют в космосе в двух разновидностях. Дыры поменьше образуются при гравитационном коллапсе молодых горячих звезд, массы которых превышают десять-двенадцать солнечных масс. Такие светила быстро сжигают свое ядерное топливо и в конце жизни взрываются сверхновыми, оставляя после себя нейтронные звезды или черные дыры. Дыры этого типа нередко имеют компаньонов в лице обычных звезд, связанных с ними силами тяготения. Гигантские и сверхгигантские дыры рождаются при слиянии множества послезвездных дыр, поэтому их массы составляют миллионы и даже миллиарды солнечных масс. Такие дыры располагаются в центральных зонах большинства галактик, не исключая и нашу. Астрономы постоянно охотятся как за «обычными», так и за исполинскими дырами. Этот поиск приводит к выявлению дыр все больших масштабов. 17 октября появилось сообщение о том, что в галактике М33 обнаружена дыра, масса которой в 16 раз превышает массу Солнца. Она стала самой массивной из всех известных науке дыр, возникающих в ходе звездных взрывов. Однако этот рекорд продержался менее двух недель. 30 октября НАСА объявило об открытии куда более тяжелой дыры такого же происхождения. Ее масса пока определена лишь приблизительно, однако достоверно известно, что она составляет от 24 до 33 солнечных масс. Выходит, что эта дыра тяжелее теперь уже серебряной призерши из галактики М33 как минимум в полтора раза, а возможно, что и вдвое. Новая дыра-рекордсменка расположена в карликовой галактике IC 10, которая на земном небосводе лежит в созвездии Кассиопеи. От нее до Млечного Пути сравнительно недалеко, какие-то миллион 800 тысяч световых лет. Скорее всего она возникла в ходе коллапса чрезвычайно массивной звездной родительницы, которая в начале жизни тянула как минимум на 60 солнечных масс. Дыра и ее звезда-партнерша вращаются вокруг общего центра тяжести, делая один оборот примерно за 35 часов. Эта звезда находится в конце своего жизненного пути и обречена на превращение в сверхновую. Когда это произойдет, у дыры появится спутник в лице другой дыры или нейтронной звезды. Строго говоря, этот финал скорее всего уже наступил, только мы об этом еще не знаем, поскольку свет от взрыва не успел дойти до Земли. Астрономы из США и Европы обнаружили большую популяцию сверхмассивных черных дыр, расположенных в активных ядрах далеких галактик. Эти результаты удалось получить с помощью двух американских космических обсерваторий – инфракрасного телескопа имени Спитцера и рентгеновского телескопа «Чандра». Они обследовали тысячу крупных галактик, удаленных от Млечного Пути на 9-11 миллиардов световых лет. Анализ собранной информации показал, что центральные зоны примерно двухсот галактик являются источниками мощного рентгеновского и теплового излучения. Это означает, что там скрываются исполинские черные дыры, которые поглощают из космоса частицы пыли и газа и благодаря этому интенсивно светятся в инфракрасном и рентгеновском диапазонах. Такие сильно излучающие дыры называются квазарами. Новообнаруженные квазары возникли очень давно. Их лучи, которые теперь дошли до Земли, были испущены в далеком прошлом, когда Вселенная была в несколько раз моложе, чем в наше время. Со временем они должны были практически полностью всосать окружающую материю и в конце концов затухнуть – иначе говоря, перестать быть квазарами. Если бы земные астрономы могли наблюдать за ними еще многие миллионы лет, они бы заметили, что излучение квазаров постепенно ослабевает. Астрофизики и космологи считают, что в юной Вселенной черные дыры должны были рождаться в большом количестве и быстро набирать огромную массу, в миллионы и даже миллиарды раз превышающую массу Солнца. Открытие множества ранее неизвестных квазаров полностью подтверждает эту теорию.