Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (29) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Оригинално заглавие
The Collapsing Universe (The Story of Black Holes), (Пълни авторски права)
Превод от
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,7 (× 24 гласа)

Информация

Сканиране
gogo_mir (2011 г.)
Корекция и форматиране
Ripcho (2011 г.)

Издание:

Айзък Азимов. Гравитационната гибел на вселената

Преводач: Радка Динекова

Рецензент: Валери Голев

Рецензенти на превода: Надка Стоянова, Красимира Абаджиева

Редактор: Валери Голев

Художник на корицата: Владимир Минчев

Художник-редактор: Димитър Петков

Технически редактор: Йорданка Иванова

Коректор: Славка Кръстева

Код: 01\9532421331\2332-2-90

Американска. Издание I.

Формат 70X90/32 Печ. коли 18,00 Изд. коли 10,51 УИК 12,19

Държавно издателство „Народна просвета“ — София, 1990 г.

Държавна фирма „Полипринт“ — Враца

История

  1. — Добавяне

Детектиране на черните дупки

Да се детектират черните дупки, не е лесно. Детектирането на белите джуджета поради малките им размери и слабия им блясък е далеч по-трудно от детектирането на обикновените звезди. Неутронните звезди, които са още по-малки по размери и още по-слаби, са и още по-трудни за детектиране и ако трябваше да разчитаме само на оптичното им излъчване, те може би никога нямаше да бъдат открити. Тези обекти бяха забелязани само заради микровълновите импулси, които излъчват. Очевидно е, че черните дупки, които не излъчват нито светлина, нито микровълни или някое друго подобно лъчение, винаги ще са много трудни за наблюдаване.

Все пак положението не е съвсем безнадеждно. Нека не забравяме тяхното гравитационно поде. Каквото и да става с масата, която може безкрайно да се натрупва и да се компресира в черната дупка, тази маса трябва да остане да съществува (дотолкова, доколкото това ни е известно) и тя трябва да продължи да бъде източник на гравитационно поле.

Разбира се, влиянието на пълното гравитационно привличане на черната дупка на големи разстояния не е по-различно от пълното гравитационно привличане, причинявано от същото количество маса в каквато и да е друга форма. Така например, ако се намираме на разстояние 100 светлинни години от една гигантска звезда, която е 50 пъти по-масивна от Слънцето, нейното гравитационно привличане ще бъде толкова силно намалено поради разстоянието, че трудно бихме го детектирали. Ако по някакъв начин някоя звезда се е превърнала в черна дупка, чиято маса е 50 пъти по-голяма от слънчевата, то нейното гравитационно привличане на разстояние 100 светлинни години ще бъде точно толкова отслабнало, колкото и в предишния случай, и ще бъде точно толкова трудно забележимо.

Разликата идва от следното. Един обект може да се окаже много по-близо до центъра на черната дупка, отколкото до центъра на гигантската звезда, така че в близката околност на черната дупка върху него ще действува по-силно и по-концентрирано гравитационно привличане, отколкото в околността на обемистата гигантска звезда със същата маса, чиято повърхност е далеч от центъра й.

Възможно ли е да се детектира по някакъв начин съществуването на толкова концентрирани гравитационни полета от голямо разстояние?

Според общата теория на относителността на Айнщайн под действието на гравитацията се освобождават гравитационни вълни, които в аспекта им като частици се наричат гравитони (точно както светлинните вълни в аспекта им като частици се наричат фотони). Обаче гравитоните са значително по-малко енергетични от фотоните и не могат да бъдат открити освен в случаите, когато им действуват необикновено високи енергии, като дори и тогава те трудно се проявяват. Ние не познаваме обекти, произвеждащи гравитони, които да могат да се детектират — освен може би големите черни дупки в процеса на тяхното образуване и нарастване.

В края на 1960 г. американският физик Джоузеф Вебер (1919) използувал за гравитационни детектори големи алуминиеви цилиндри, всеки с тегло по няколко тона, разположени на стотици мили разстояние един от друг. Цилиндрите ще се разширяват и свиват изключително слабо, когато гравитационните вълни преминават през тях. Вебер успял по този начин да детектира гравитационните вълни и това внесло голямо оживление сред астрономите. Ако данните на Вебер са верни, най-непосредственият извод от тях е, че в центъра на Галактиката протичат процеси, свързани с отделянето на огромни енергии. Може би там се намира голяма черна дупка.

Обаче, когато други учени се опитаха да повторят опита на Вебер, те нямаха успех. Така в момента въпросът, дали Вебер е детектирал гравитоните или не, остава открит. Може би в центъра на Галактиката наистина съществува черна дупка, но засега методът на Вебер за нейното откриване е изоставен и трябва да се търсят други пътища за детектирането на черни дупки.

Друг начин, при който също се използува интензивното гравитационно поле в околността на черната дупка, е изследването на поведението на светлината, която трябва да се отклонява при преминаването си покрай черните дупки. Светлинните лъчи ще се изкривяват слабо по посока на източника на гравитационното поле. Този ефект е лесно забележим дори и при преминаването на светлината покрай обект като Слънцето с нормално гравитационно поле.

Да предположим, че точно между Земята и една далечна галактика се намира черна дупка. Светлината на галактиката ще обхожда черната дупка с точкови размери, която сама по себе си е невидима. От всички страни светлината ще се отклонява към черната дупка и лъчите ще се схождат в посока към нас така, както това става при обикновените лещи. По тази причина явлението се нарича гравитационна леща.

Ако наблюдаваме галактика, която независимо от разстоянието до нея изглежда неимоверно голяма, бихме могли да предположим, че нейният размер е увеличен от гравитационна леща, т.е. че между нея и нас се намира черна дупка. Такова явление обаче не е наблюдавано.[1]

Но черните дупки не са сами във Вселената. В околностите им може да има обикновено вещество. Ако това е така, обектите с по-големи размери, които се приближават достатъчно до черните дупки, се раздробяват на прахообразни частици и заедно е веществото, което вече се намира там под формата на прах и газ, ще започнат да обикалят около черната дупка на разстояние около 200 километра над радиуса на Шварцшилд във вид на акреционен диск.

Газово-праховата материя, която се движи по орбита около черната дупка, може да остане завинаги на тази орбита, ако отделните частици не се смесват. Но взаимните удари между частиците водят до обмен на енергия. При това някои частици ще губят от енергията си и ще започнат да падат спираловидно към черната дупка, спускайки се под радиуса на Шварцшилд, откъдето никога не може да се излезе обратно.

Като цяло това е слаб, но постоянен поток от падащо надолу вещество. Но частиците, движещи се по навиваща се спирала, губят гравитационна енергия, която се превръща в топлина и ги нагрява. Те се нагряват допълнително и от разтягането и свиването, дължащи се на приливните ефекти. В резултат температурата на частиците се повишава неимоверно и те започват да излъчват рентгенови лъчи.

И така, не можем да открием черна дупка, намираща се във вакуум, но бихме могли да я детектираме, ако тя поглъща вещество, понеже това вещество като предсмъртен вик ще изпуска рентгенови лъчи.

За да бъде рентгеновото излъчване достатъчно интензивно, че да може да се детектира на разстояние много светлинни години, падащото вещество трябва да представлява нещо повече от пелена разреден, случайно попаднал около дупката прах. Там трябва да има тъст порой от спиралообразно падащи върху черната дупка частици, което означава, че черната дупка трябва да се намира в много специално обкръжение.

Например черните дупки с голяма вероятност могат да бъдат намерели там, където има големи струпвания от звезди, намиращи се много близо една до друга и където натрупването на маса по-лесно може да надмине границата, след която рано или късно образуването на черна дупка става неизбежен процес.

Има например кълбовидни звездни купове, при които десетки, дори стотици хиляди звезди са струпани в кълбо с голяма концентрация. Тук, в непосредствено обкръжаващата ни околност от Вселената, звездите се намират на средно разстояние 5 светлинни години една от друга. А в центъра на един кълбовиден куп това разстояние може да намалее до 1/2 светлинни години. Единица обем от кълбовидния куп може да съдържа 1000 пъти повече звезди от същия обем в околността на Слънцето.

Действително известен брой купове наистина са източници на рентгеново излъчване и е вероятно, разбира се, в центъра им да се намират черни дупки. Някои астрономи предполагат, че черните дупки в кълбовидните купове могат да имат от 10 до 100 пъти по-голяма маса от слънчевата.

Централните области на галактиките приличат на гигантски кълбовидни купове, които съдържат десетки и дори стотици милиони звезди. Средното разстояние между звездите в централните области на галактиките може да достига 1/10, а в самите им центрове дори 1/40 от светлинната година. На всяка звезда в единица обем от пространството около Слънцето съответствуват стотици хиляди, дори милиони звезди от същия обем в галактичните ядра.

Такова насищане на пространството със звезди не означава, че те се удрят една в друга. Дори разстоянието 1/40 от светлинната година е 40 пъти по-голямо от разстоянието между Слънцето и Плутон. Възможността за протичане на бурни процеси се увеличава с нарастване на плътността на звездите в пространството. В последните години се увеличиха доказателствата за съществуването на взривове в центровете на галактиките, които са толкова мощни, че астрономите се затрудняват да пресметнат освободената от тях енергия. Може ли да се смята, че за това по един или друг начин са отговорни черните дупки? Може би да!

Дори нашата Галактика не е имунизирана от тези явления. В центъра на нашата Галактика е открит много компактен и мощен микровълнов източник и това кара учените да предполагат, че там съществува черна дупка. Някои астрономи стигат дори дотам да твърдят, че нашата галактическа черна дупка има маса колкото 100 милиона звезди, което представлява 1/1000 от масата на цялата Галактика. Тя би трябвало да има диаметър 700 000 000 километра, което е равно на размерите на огромен червен гигант. Тя е толкова масивна, че с приливните си ефекти може да разруши всички звезди, осмелили се да се приближат достатъчно до нея или да ги погълне, преди да успеят да се разрушат, ако те се приближат към нея много бързо.

Вероятно всеки кълбовиден куп или галактика има черна дупка в центъра си, която само поглъща, но никога не отдава и неумолимо разяжда обикновеното вещество, нараствайки постоянно. Дали черните дупки няма да погълнат всичко? Теоретично да, но темпът на поглъщане трябва да е доста нисък. Вселената е на 15 милиарда години, а кълбовидните купове и галактиките все още не са погълнати. Съществува даже предположението, че централните черни дупки са по-скоро създатели на купове и галактики отколкото техни унищожители. Черната дупка може да е възникнала първа и може да е послужила за „зародиш“, струпвайки около себе си звезди във вид на свръхакреционни дискове, които впоследствие са се превърнали в купове и галактики.

Колкото и добър творец да е била черната дупка в началото, сега тя, макар и бавно, поглъща вещество и никак няма да е приятно да се озовеш близо до нея. Ако в центъра на всяка галактика наистина има по една черна дупка, то най-близката до нас е тази в центъра на нашата собствена Галактика и тя се намира на 30 000 светлинни години разстояние от нас. Това е едно удобно разстояние независимо от това, че на другия му край се намира гигантска черна дупка.

Ако в центъра на всеки кълбовиден куп има черна дупка, то най-близкият до нас куп е ω (омега) от съзвездието Центавър, който е отдалечен на 22 000 светлинни години — това е все още едно удобно разстояние.

Все пак съществуването на черни дупки в центровете на куповете и галактиките сега-засега е само едно предположение. Ние не можем да видим какво става в недрата на куповете и на галактиките и да изследваме директно центровете им. Големият брой звезди в периферните им части скриват техните центрове и косвените доказателства, които получаваме във форма на рентгеново излъчване или дори на гравитационни вълни не са достатъчни, за да ни дадат в близко бъдеще окончателен отговор за съществуването на такива черни дупки.

Тогава какво друго да търсим?

Нека да не разглеждаме повече големите звездни конгломерати. Нека се занимаем с една двойна звездна система.

Ако знаем периода на въртене на системата и разстоянието й до нас, можем да изчислим пълната маса на двойката. Ако едната от звездите изглежда много малка, но има голяма маса, можем да предположим, че тя се намира в някой от стадиите на колапс. Така бе открит навремето спътникът на Сириус и той беше идентифициран като бяло джудже.

Да предположим по-нататък, че разглеждаме двойна система, за която и двете звезди са колапсирали до черни дупки. Те не могат да бъдат наблюдавани директно, но продължават да обикалят една около друга и най-вероятно — ако са достатъчно млади — могат да трупат върху себе си веществото, изхвърлено от взрива на свръхновата. В този случай може да се наблюдава двоен източник на рентгеново излъчване, въртящ се около общия гравитационен център на системата. Днес познаваме осем двойни рентгенови системи, но природата на източниците им все още остава неизвестна.

Какво би станало, ако само една от звездите на двойната система е колапсирала до черна дупка? Спътникът на тази черна дупка, който е отдалечен от нея на много милиарди километри, ще се зарежда с енергия, понеже ще се движи в пространството, което вече е много по-запрашено от изхвърленото вещество при взрива на свръхновата, предшествувал образуването на черната дупка.

Спътникът ще става все по-горещ в процеса на натрупване на вещество, но за сметка на това животът му ще се съкрати. Той обаче все още стои на главната последователност. Спътникът няма да изпитва увеличено гравитационно въздействие от страна на новообразуваната черна дупка, която е другият компонент на системата. По-скоро това въздействие ще се намали поради загубата на маса по време на взрива на свръхновата, породил черната дупка в системата.

Наблюдавайки от Земята, ние няма да виждаме двойна система, а само една обикновена звезда върху главната последователност, която се движи по орбита около някакъв център на гравитацията, а от другата му страна обикаля интензивен рентгенов източник.

Чие съществувание доказва рентгеновото излъчване — на неутронна звезда или на черна дупка? Има някои различия, които биха могли да се използуват за идентифициране на съответния обект. Рентгеновите лъчи от неутронната звезда трябва да се излъчват във вид на регулярни импулси, съвпадащи с микровълновите. Два такива рентгенови пулсара действително бяха открити. Това са пулсарите Центавър X-3 и Херкулес X-1. Черната дупка трябва да излъчва рентгенови лъчи нерегулярно, тъй като количеството на поглъщаното от нея вещество понякога е много голямо, а понякога — малко. В добавък, ако такъв точков източник на рентгенови лъчи има маса, 3,2 пъти по-голяма от слънчевата, то той трябва да бъде черна дупка. (Ако се докаже, че във Вселената съществуват неутронни звезди с маси, 3,2 пъти по-големи от слънчевата, то това би преобърнало цялата теория за черните дупки. Но досега толкова масивни неутронни звезди не са открити.)

В началото на 60-те години, когато на небето бяха открити първите рентгенови източници, през 1965 г. с ракетни наблюдения бе локализиран един особено интензивен източник в съзвездието Лебед. Този рентгенов източник бе наречен Лебед X-1.

През 1969 г. от крайбрежието на Кения в чест на петата годишнина от независимостта на страната бе изстрелян спътник за детектиране на рентгенови източници. Този спътник беше наречен Ухуру от думата „свобода“ на езика суахили. Той много обогати познанията ни за рентгеновите източници, събирайки информация за 161 такива източника, разпръснати по цялото небе, като половината от тях се намират в нашата Галактика, а три — в кълбовидни купове.

През 1971 г. Ухуру откри забележима промяна в интензитета на рентгеновото излъчване от Лебед X-1, при което отпадна възможността този източник да е неутронна звезда и се увеличи вероятността той да е черна дупка. Учените веднага насочиха вниманието си към Лебед X-1 и откриха и микровълново излъчване от него. Това им даде възможност много точно да определят положението на източника и той се оказа в непосредствена близост до една звезда, излъчваща видима светлина.

Това беше звездата HD-226868 — голяма гореща синя звезда от спектрален клас B, 30 пъти по-масивна от нашето Слънце. К. Т. Болт от университета в Торонто показа, че HD-226868 е двойна звезда. Тя обикаля в орбита с период 5,6 денонощия — орбита, чийто характер предполага другата звезда да има от 5 до 8 пъти по-голяма маса от Слънцето.

Звездата спътник не може да се види, макар че тя е източник на интензивно рентгеново лъчение. Щом не можем да я видим, тя трябва да е много малка. Но тя е твърде масивна, за да бъде бяло джудже или неутронна звезда и оттук можем да предположим, че невидимата звезда е черна дупка.

Освен това изглежда, че HD-226868 се разширява, понеже е влязла в началото на стадия на червен гигант. Тогава нейното вещество ще пада върху спътника — черната дупка — което обяснява защо черната дупка е толкова интензивен рентгенов източник.

Това все пак е едно косвено доказателство и не всички астрономи приемат, че Лебед X-1 е черна дупка. От голямо значение е разстоянието до двойната система. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова повече маса им е необходима, за да има двойката такъв кратък орбитален период, и толкова по-вероятно е Лебед X-1 да представлява черня дупка. Някои астрономи смятат, че двойната система се намина значително по-близо от 10 000 светлинни години — обикновено се приема такова разстояние до системата — и следователно Лебед X-1 не е черна дупка. Но в крайна сметка повечето предпочитат хипотезата за черната дупка.

Наблюдавани са и други двойни системи, в които единият от компонентите би могъл да бъде черна дупка. Такива са рентгеновите източници, известни като X Персей и Пергел X-1.

Съществува възможност да се открие черна дупка и без рентгеново излъчване. В някои случаи може да се детектира много тясна двойна система по характера на нейните спектрални линии. По спектралните линии за звездата ε (епсилон) от Колар например може да направим заключение, че тя обикаля около невидим спътник — ε Колар B. Нещо повече, данните от спектралните изследвания показват, че ε Колар A (видимата звезда) има маса, 17 пъти по-голяма от слънчевата, докато ε Колар B (невидимата) има маса, 8 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Отново съчетанието от невидим обект и огромна маса ни навежда на мисълта, че ε Колар B е черна дупка (макар че някои астрономи смятат, че ε Колар B е невидима, защото е звезда в процес на образуване и още не се е възпламенила).

Бележки

[1] Ефект на гравитационна леща вече е наблюдаван. — Б.ред.