Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

9.5. Вверху: VLA радиоинтерферометр на равнине Св. Августина в Нью-Мексико.

Внизу: Изображение радиогалактики Cygnus А, сделанное с помощью этого интерферометра Р.А.Перли, Дж. В.Дрейером и Дж. Дж. Коуэном. Совершенно отчетливо видна струя, питающая правый лепесток; струя, питающая левый лепесток, видна гораздо хуже. Обратите внимание на колоссальное улучшение разрешения на этой картине радиоизлучения по сравнению с контурной картой Ребера 1944 г., которая вообще не показывала лепестков (рис 9.1 г), с радиокартой 1953 г. Дженнисона и Дас Гупты, на которой едва проявилось существование лепестков (два прямоугольника на рис. 9.3 г), а также с картой Райля 1969 г. (рис. 9.3 г). [Обе фотографии предоставлены NRAO/AUI]

Полученные с помощью VLBI в начале 1980-х изображения показали, что струи вырываются из самой внутренней части ядер галактик, имеющей размер в несколько световых лет или, как в случае некоторых квазаров подобных 3C273, от ярко светящегося объекта размером не больше светового месяца. Главный механизм предположительно находится внутри такого светящегося объекта и обеспечивает энергией не только сам объект, но и струи, которые в свою очередь питают радиолепестки. Струи дали и другой ключ к пониманию природы основного механизма. Некоторые струи остаются совершенно прямыми на расстояниях в миллион световых лет или даже больше. Если бы их источник вращался, то подобно вращающейся воде в сливе раковины он порождал бы спиральные струи. Поэтому наблюдаемая прямолинейность струй свидетельствовала о том, что центральный механизм выстреливал их в одном и том же направлении в течение долгого времени. Насколько долгого? Поскольку газ струй не может двигаться со скоростью выше скорости света, и поскольку длина некоторых струй превышает миллион световых лет, направление извержения должно было оставаться неизменным больше миллиона лет. Чтобы добиться такой стабильности, «сопла» механизма, испускающего струи, должны быть закреплены на чрезвычайно устойчивом объекте, на чем-то вроде долгоживущего гироскопа. (Напомню, что гироскоп представляет собой быстро вращающийся объект, в течение долгого времени удерживающий постоянное направление оси своего вращения. Такие гироскопы являются ключевыми компонентами пассивных навигационных систем самолетов и ракет.) Среди десятков предположений, выдвинутых в начале 1980-х годов для объяснения механизма квазаров, лишь одно включало гигантский супергироскоп с большим временем жизни, с размерами меньше светового месяца и возможностью генерации мощных струй. Эта уникальная гипотеза состояла в том, что это гигантская вращающаяся черная дыра.

Идея о том, что квазары и радиогалактики могут питаться энергией от гигантских черных дыр, была предложена Эдвардом Салпетером и Яковом Борисовичем Зельдовичем в 1964 г. (в первый год Золотого века, глава 7). Эта идея была очевидным приложением открытия Зельдовича — Салпетера того факта, что падающие на черную дыру потоки должны сталкиваться и излучать (см. рис. 8.4).

Более полное и реалистичное описание падения газовых потоков на черную дыру было дано в 1969 г. британским астрофизиком из Кембриджа Дональдом Линден-Беллом. Линден-Белл приводил убедительные доводы, что после того как газовые потоки столкнутся, они соединятся, и центробежная сила вынудит их вращаться, делая много оборотов по спирали вокруг черной дыры, пока они не упадут на нее. Вращаясь, они образуют объект в форме диска, во многом похожий на кольца вокруг планеты Сатурн — аккреционный диск, как его назвал Линден-Белл, поскольку газ собирается, аккрецируется (от латинского accretio — приращение, увеличение) черной дырой. (Справа на рис. 8.7 показан такой диск вокруг небольшой черной дыры внутри объекта Лебедь Х-1 в представлении художника.) В аккреционном диске прилегающие газовые потоки должны тереться друг о друга, и это интенсивное трение будет нагревать диск до высоких температур.

В 1980-х годах астрофизики поняли, что ярко светящийся объект в центре 3C273 размером в 1 световой месяц или даже меньше, возможно, является аккреционным диском Линден-Белла, нагретым таким трением.

Обычно мы полагаем, что трение — слабый источник теплоты. Вспомним несчастного бойскаута, тщетно пытающегося разжечь огонь трением двух палочек друг о друга. Однако бойскаут ограничен своей слабой мускульной силой, тогда как в аккреционном диске трение питается гравитационной энергией. Поскольку мощность гравитации очень велика, во много раз больше, чем у ядерной энергии, трение вполне может нагреть диск и заставить его светиться в 100 раз сильнее самых ярких галактик.

* * *

Каким образом черная дыра может вести себя подобно гироскопу? Джеймс Бардин и Джакобус Петтерсон из Йельского университета нашли ответ в 1975 г. Если черная дыра быстро вращается, она ведет себя в точности как гироскоп. Направление ее вращения всегда остается строго зафиксированным и неизменным, а завихрение пространства вблизи черной дыры, обусловленное вращением (рис. 7.7), остается всегда строго ориентированным в том же направлении. Бардин и Петтерсон показали с помощью математических расчетов, что это завихрение пространства вблизи черной дыры должно захватывать внутреннюю часть аккреционного диска и плотно удерживать его в экваториальной плоскости черной дыры, независимо от того, как он был ориентирован вдали от нее (рис. 9.6). При захвате нового газа из межзвездного пространства удаленные от центра части диска могут изменить свою форму, но ориентация диска вблизи поверхности черной дыры измениться из-за этого не может. Этому препятствует гироскопическое действие черной дыры. Вблизи черной дыры диск всегда остается в ее экваториальной плоскости.

9.6. Вращение черной дыры приводит к завихрению пространства вокруг нее, и это завихрение удерживает внутреннюю часть аккреционного диска в экваториальной плоскости дыры

Без решения Керром уравнений поля Эйнштейна гироскопическое действие черной дыры оставалось бы неизвестным, и наверное, квазары оставались бы непонятными. Имея в руках решение Керра, астрофизики в середине 1970-х годов подошли к ясному и элегантному объяснению. Впервые главную роль в объяснении астрономических наблюдений играла концепция черной дыры как динамического объекта, а не просто как «дырки в космосе».

Насколько сильным может быть завихрение пространства вблизи гигантской черной дыры? Ответ вывел Джеймс Бардин. Он математически показал, что газ, аккрецирующий на черную дыру из диска, должен постоянно заставлять черную дыру вращаться все быстрее и быстрее. К тому времени как черная дыра поглотит достаточное количество падающего на нее по спирали газа, чтобы удвоить свою массу, она станет вращаться почти с максимально возможной скоростью — скоростью, выше которой центробежные силы будут мешать ее дальнейшему ускорению (глава 7). Поэтому гигантские черные дыры должны обычно иметь скорость вращения, близкую к максимальной.

Каким образом черная дыра и ее диск образуют две противоположно направленные струи? На удивление просто, как догадались в середине 1970-х годов Блэндфорд, Рис и Линден-Белл из Кембриджского университета. Существует четыре возможных способа образования струй, и каждый из них может работать.

Во-первых, Блэндфорд и Рис поняли, что диск может быть окружен холодным газовым облаком (рис. 9.7). Ветер, дующий с нижней и верхней поверхности диска (такой же ветер дует с поверхности Солнца), может создать внутри окружающего холодного газа горячий газовый пузырь. Затем горячий газ может пробить устья в нижней и верхней оболочке холодного облака и вырваться наружу. Так же как сдавленная насадка на садовом шланге создает тонкую быструю струю, устья в холодном облаке собирают в струи вытекающий раскаленный газ. Направления струй будет зависеть от положения устий. Если холодное облако вращается вокруг той же оси, что и черная дыра, то наиболее вероятные положения находятся на общей оси вращения, т. е. на прямой, перпендикулярной плоскости внутренней части аккреционного диска — устья в этих местах будут образовывать струи, направление которых будет закреплено гироскопическим вращением черной дыры.

Во-вторых, поскольку диск весьма горяч, его внутреннее давление очень велико, и это давление должно раздувать его пока он не станет очень толстым (рис. 9.76). Как показал Линден-Белл, в этом случае орбитальное движение газа диска вызовет центробежные силы, которые сформируют на верхней и нижней поверхности диска подобные водоворотам воронки. Эти воронки полностью аналогичны тем, которые иногда образуются, когда вода вытекает через сливное отверстие ванны. При этом черная дыра подобна сливному отверстию, а газ диска — воде. Поверхность этих воронок-водоворотов из-за трения газа должна быть настолько горячей, что они сами должны порождать ветер, а воронки будут собирать этот ветер в струи — рассуждал Линден-Белл. Направление струй будет тем же, что и у воронок, которые, в свою очередь, твердо зафиксированы на оси гироскопическим вращением.