| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Вселенная и Солнечная система
| |||||
 Жизнь звезд |
|||||
Триумф гравитации |
|
Триумф гравитации
Изучая газ, окружающий объект GRO 11655-40, ученые обнаружили, что скорость водовoрота, в который он вовлечен, составляет 450 оборотов в секунду. По предварительным оценкам, центральный объект имеет массу, в семь раз превосходящую солнечную. Наблюдаемое мерцание в аккреционном диске может быть объяснено тем, что этот объект - очень быстро вращающаяся черная дыра. Немецкий астрофизик Шварцшильд первым нашел точное решение уравнений 3йнштейна, которое, как оказалось впоследствии, описывает геометрию пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Он вычислил критический радиус, до которого нужно сжать массу, чтобы получить черную дыру. Этот радиус стал называться радиусом Шварцшильда. Черная дыра не имеет поверхности в обычном смысле слова, просто существует область пространства вокруг нее, определяемая радиусом Шварцшильда, невидимая для внешнего наблюдателя. Эта область называется еще "горизонтом событий". Термин "горизонт событий" - очень удачное название для этой поверхности в пространстве-времени, из которой ничто не может вырваться. Это действительно горизонт, за которым все пропадает из виду. Его нельзя ни видеть, ни чувствoвать, ни измерить. "Горизонт событий" можно сравнить с глубоким колодцем с совершенно гладкими стенами, попав в который невозможно выбраться самостоятельно. Высота колодца и является "горизонтом событий". Любое тело, оказавшись вблизи "горизонта сoбытий", будет двигаться только внутрь черной дыры.
Очень привлекательными для поиска кандидатов в черные дыры являются тесные двойные системы, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти, а иногда и действительно соприкасаются. Порой в таких системах наблюдается только одна звезда, а присутствие второго компонента можно установить лишь из наблюдений движения видимой звезды. Из анализа периода и вариаций светимости оптической звезды можно рассчитать массу невидимого компонен та, и в ряде случаев он оказывается очень массивным компактным объектом с сильным гравитационным полем, способным срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнет отделяться от внешних слоев видимой звезды и падать на невидимый спутник. Сильно разогретый газ становится источником высокоэнергичного электромагнитного излучення в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических аппаратов.
Гравитация - это сила, которая управляет всей Вселенной. Она держит нас на 3емле, определяет орбиты планет, обеспечивает устойчивость Солнечной системы. Именно она играет главную роль при взаимодействии звезд и галактик, определяя, очевидно, прошлое, настоящее и будущее Вселенной. Она всегда притягивает и никогда не отталкивает, действуя на все, что видимо, и на многое из того, что невидимо. И хотя гравитация была первой из четырех фундаментальных сил природы, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, она все еще остается неразгаданной загадкой. Ньютон открыл закон всемерного тяготения, в котором гравитация была описана как сила притяжения между всеми телами без исключения. Величина ее прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. 3акон всемирного тяготения наглядно иллюстрирует различные явления природы, в которых гравитация играет важную роль. С помощью этого закона можно не только объяснись движение небесных тел, но и разобраться в сложной проблеме строения и эволюции Солнца и звезд. Ученые пользуются этим законом для расчета траекторий космических аппаратов, времени стыковок на космических орбитах, запусков ракет.
Как действует этот закон, в принципе ясно, но вот причина, вызывающая притяжение масс, требует более глубокого понимании. Трудно себе представить, как ничем не связанные между собой планеты и звезды, удаленные друг от друга на гигантские расстояния, «узнают» о существовании друг друга. И сегодня, три столетия спустя после открытии гравитации, все еще не существует четкого понимания этого явления. Процесс сжатия, при котором силы тяготения неудержимо возрастают, называется гравитационным коллапсом. Наше Солнце - шар, и если бы его внутреннее газовое давление не сопротивлялось действию тяготения, оно сжалось бы в точку всего за 29 минут! Вот насколько быстро гравитация расправляется со своими «жертвами», налагая при этом запрет на любые сигналы о состоянии коллапсирующего объекта, идущие наружу и несущие информацию. Посмотрим, почему это происходит. Чтобы преодолеть силу притяжения небесного объекта и отправиться в космос, необходимо развить вторую космическую скорость, которая иначе называется скоростью убегания. Скорость убегания с поверхности объекта, имеющего достаточно большой радиус, невелика. Но если его радиус будет сокращаться под действием силы тяжести, величина скорости убегания будет расти и может достичь значения, равного скорости света, когда объект сожмется внутри некоторого критического радиуса, зависящего от начальной массы объекта. Объект исчезнет из видимой Вселенной для внешнего наблюдателя, так как его мощное поле тяготения не позволит излучению уйти с его поверхности. Уже, исходя из теории тяготения Ньютона, можно предсказать возможность появления такого объекта, как черная дыра. В 1916 году Эйнштейн предложил принципиально новую теорию тяготения, названную Общей теорией относительности. Один из главных выводов этой теории - тесная связь между временем, пространством и распределением массы. Согласно Эйнштейну, пространство и время - это формы существования материи. Исчезнет материя - исчезнут пространство и время. Масса изменяет геометрию пространства своей гравитацией. Геометрия пространства, ее изменение со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения материи в пространстве, которые в свою очередь зависят от его геометрии. Таким образом, геометрия пространства указывает материи, какие свойства она должна иметь, а материя указывает пространству-времени, как оно должно быть искривлено. Любые массы искривляют пространство-время тем сильнее, чем больше эти массы. Когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество будет неудержимо сжиматься и наступит катастрофа - гравитационный коллапс. В процессе коллапса растут концентрация массы и кривизна пространства-времени, и, наконец, в результате сжатия наступает момент, когда пространстно-время сверпется так, что ни один физический сигнал не сможет выйти из коллапсирующего объекта наружу и для внешнего наблюдателя объект перестанет существовать. Такой объект и называется черной дырой. Немало усилий было затрачено теоретиками, чтобы разобраться в особенностях геометрии пространства-времени, связанного с черными дырами. Согласно современной теории эволюции звезд, «умирая», каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией любой звезды, но затем были открыты пульсары, и астрономы признали реальное существование нейтронных звезд. Теперь же ученые задумались о возможности реального существования самого удивительного класса умирающих звезд - черных дыр. К середине 60-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции, и они поняли, что существование устойчивых "мертвых» звезд", масса которых больше трех солнечных, невозможно. А так как во Вселенной достаточно много звезд с очень большими массами, астрофизики стали всерьез oбcyждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной. Массивные звезды стареют очень быстро. В процессе всей своей жизни они теряют массу, то есть выбрасывают вещество в пространство. Как правило, эволюции таких звезд заканчивается мощным взрывом - "вспышкой Сверхновой", в результате которой огромные облака звездного вещества выбрасываются в межзвездную среду. «Остаток» звезды сжимается под действием силы тяготения и может стать нейтронной звездой, то есть звездой, состоящей из вырожденного нейтронного газа. Именно внутреннее давление вырожденного газа противодействует силе гравитации и останавливает сжатие звезды. Однако если масса сжимающейся звезды превышает солнечную массу во много раз, никакая сила не может остановить процесс сжатия. По мере сжатия напряженность гравитационного поля вокруг звезды все более нарастает. Теория Ньютона уже не может правильно описывать происходящие явления, и приходится обращаться к теории относительности Эйнштейна. В ходе нарастающего сжатия нарастает и искривление пространства - времени. Наконец, когда звезда сожмется до радиуса в несколько километров, пространство - время «свернется» и звезда исчезнет из видимой Вселенной, от нее останется только гравитационное поле - следовательно, произойдет рождение черной дыры. Поиск - дело нелегкое Задача поиска и открытия черных дыр в космосе представляется на первый взгляд совершенно безнадежной, так как никакая информация, даже свет, не может вырваться с поверхности подобных объектов. Основной инструмент астрономов - телескоп бессилен в решении этой задачи. Но во Вселенной продолжает «жить» и действовать гравитационное поле черной дыры. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие на значительном расстоянии. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: удерживать возле себя планеты или образовывать двойные системы с другими звездами. Вещество, которое падает на чёрную дыру, разогревается до очень высоких температур и, прежде чем окончательно исчезнуть в черной дыре, выбрасывает во Вселенную интенсивное рентгеновское излучение. Для поиска рентгеновских источников по всему небу в 1970 году на околоземную орбиту был запущен американский спутник «Ухуру», и с тех пор рентгеновские источники были открыты во многих двойных системах. В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, а значит, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронных звезд. А потому предполагается, что в этом случае невидимым компонентом является черная дыра.
Первым кандидатом в черные дыры стал невидимой источник рентгеновского излучения Лебедь-Х1, находящийся на расстоянии 8 000 световых лет от 3емли. Видимый компонент этой двойной звездой системы - нормальная звезда с массой около 30 масс Солнца, а невидимый с массой более чем 6 солнечных масс. А так как никакая нейтронная звезда не может содержать больше 3 масс Солнца, то отождествление Лебедя-Х1 с черной дырой представляется вполне вероятным. Но чтобы доказать что это действительно черная дыра, в соответствии с теорией Эйнштейна, нужны детальные исследования процессов, происходящих в непосредственной близости от «горизонта событий». Факт существования черных дыр очень важен для космологии, ведь он непосредственно свидетельствует о том, как Вселенная может скрывать большую часть своей материи.
Будущие космичесиe миссии сосредоточат свое внимание главным образом на исследовании мощных супермассивных черных дыр в центрах галактик. Планируются также наблюдения и исследования так называемых джетов, выбрасываемых из окрестностей чёрных дыр в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и растягивающихся на миллиарды километров от черной дыры. Обсерватории, регистрирующие гамма-излучение, занимаются их исследованиями для того, чтобы понять механизм их образования. Предусматривается также спектроскопия очень высокого разрешения, которая, как надеются ученые, позволит измерить две основные характеристики черных дыр: массу и момент вращения. Еще планируется получение изображения в основаниях джетов в радиодиапазоне с очень высоким разрешением, что поможет выяснить, как «питаются» черные дыры и как создаются джеты. Предполагается также создание новой рентгеновской космической обсерватории, более мощной, чем запущенная НАСА в 1999 году «Чандра», которая позволит разрешить «горизонт событий» супермассивных черных дыр в ядрах как близких галактик, так и Млечного Пути. В ядре нашей Галактики - Млечного Пути - были обнаружены звезды со скорoстями собственных движений более 1000 км/с. Вблизи центра Галактики, в области с радиусом 0,1 пк вокруг радиоисточника считается нетепловым ядром Галактики, 90 измеренных звезд движутся слишком быстро, и скорость их явно увеличивается с приближением к центру. Такие скорости объяснимы в том случае, если Стрелец А - черная дыра с массой, равной 2,6 миллиона масс Солнца.
Рис. 1: изображение в радиодиапазоне галактики М87 показывает гигантскую пузырящуюся структуру, излучающую радиоволны, которые, как предполагается, являются мощными выбросами субатомных частиц, выходящих из окрестностей черной дыры в галактическом центре. Цвет показывает интенсивность радиоэнергии, излучаемой джетами. Рис. 2: оптическое изображение в видимом свете галактики М87, сделанное камерой "2" телескопа "Хаббл" в феврале 1998 года, показывает джет высокоскоростных электронов, вылетающих из ядра (диагональ, пересекающая поле изображения). Рис. 3: съемка телескопом VLBA в радиодиапазоне области, прилегающей к черной дыре, где экстрагалактический джет формируется в узкий луч под воздействием магнитных полей. Искаженный цвет показывает интенсивность энергии, излучаемой джетами в радиодиапазоне. Район, выделенный красным цветом, имеет в поперечнике размер 1/10 светового года. Формы проявления активности ядер в разных галактиках не одинаковы. Иногда - это большая мощность излучения в оптической, рентгеновской или инфракрасной областях спектра, меняющаяся в течение лет, месяцев или дней. В некоторых случаях в ядре наблюдается очень быстрое движение газа, образующего длинные прямoлинейные выбросы - джеты. Скорость отдельных газовых фрагментов нередко достигает тысяч километров в секунду. В некоторых галактиках ядра являются источниками высокоэнергичных элементарных частиц. Активные ядра характеризуются большой светимостью во всем диапазоне электромагнитного спектра. Эта огромная энергия выделяется из области диаметром меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. Что служит источником энергии для столь бурной активности? Существует несколько гипотез, и одна из них предполагает, что в центре галактик скрыты черные дыры, массы которых достигают десятков и даже сотен миллионов масс Солнца. В результате падения вещества на черную дыру выделяется огромное количество энергии. Газовые массы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, и при столкновении вблизи черной дыры энергия движения преобразуется в электромагнитное излучение. Астрономы использовали космический телескоп "Хаббл" и рентгеновскую обсерваторию "Чандра" для того, чтобы найти доказательства существования черных дыр. Недавние наблюдения сверхгигантской эллиптической галактики М87, расположенной на расстоянии 50 миллионов световых лет в скоплении Девы, пoказали, что в ее центре имеется компактный, сильно наклoненный к лучу зрения газовый диск. Скорость вращения ионизованного газа, сoдержащегося в нем на расстоянии примерно 3,5 пк от центра, достигает огромной величины - 600 км/сек. Только гравитация объекта радиуса 3,5 пк с массой в 2 - 3 миллиона солнц могла бы заставить газ вращаться с такой скоростью. Некоторые астрономы полагают, что аккреционный диск этой галактики сформировался, когда некая маленькая галактика слишком близко подошла к М87 и была втянута в ее центральные области. Другим проявлением черных дыр являются квазары. Самыми мощными внегалактическими источниками электромагнитного излучения во Вселенной являются квазары - квазизвездные радиоисточники. Такое название они получили потому, что на первый взгляд неотличимы от обычных звезд, однако имеют очень малые угловые размеры и расположены на расстояниях 10 - 15 миллиардов световых лет от Земли, почти на границе наблюдаемой Вселенной. Мы видим их такими, какими они были 10 - 15 миллиардов лет назад, когда Вселенная еще только формировалась. Эти объекты излучают столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик. В рентгеновском диапазоне они излучают столько же энергии, сколько во всей оптической области спектра, которая высвобождается внутри объема с диаметром, меньшим, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. К настоящему времени открыты тысячи квазаров, для них характерны мощные движения газа, выброс струй вещества (или джетов) со скоростью, близкой к скорости света. Существует несколько гипотез для объяснения природы квазаров, но наиболее известная сводится к тому, что квазар - это гигантская черная дыра с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенная в плотном ядре галактики. Массивная черная дыра разрушает и захватывает звезды, орбиты которых проходят близко от нее. Одним из самых сильных аргументов в пользу этой интерпретации является изменение светимости квазаров с характерным временем менее одного светового дня. Подведем итог: какие бывают звезды?
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|