Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

Еще долго после того, как сама Сверхновая погасла, газовые остатки взрыва продолжают расширяться, иногда образуя красивые туманности. Крабовидная туманность – один из таких остатков взрыва Сверхновой. Призрачные газовые облака имеют свою агрессивную сторону и регулярно приводят к смерти людей.

Из космоса на Землю льются потоки космических лучей – заряженных элементарных частиц. Почти все они являются протонами, и некоторые из них двигаются со скоростями, превышающими порог, которого может достичь любой земной ускоритель. Хотя мы знали о космических лучах с 1912 года, их происхождение оставалось для нас загадкой.

Физики, правда, подозревали, что основным источником космических лучей могут быть остатки сверхновых. Вещество, выброшенное сверхновой, движется так быстро, что создает ударную волну, в которой сходятся и переплетаются силовые линии магнитного поля.

Заряженные протоны попадают в ловушку магнитных силовых линий и начинают летать туда-сюда, по многу раз преодолевая фронт ударной волны – подобно шарику в пинг-понге, который игроки перекидывают с одного края стола на другой. Каждый раз протоны приобретают все большую энергию.

Доказать такую гипотезу оказалось не так-то просто. Межзвездные магнитные поля могут отклонять космические лучи на пути к нашим детекторам, поэтому к тому времени, когда они достигают Земли, их направления искажаются, а это мешает определить их происхождения. К решению этой проблемы требовался другой подход, и его нашли – гамма-излучение. При столкновении высокоэнергетических протонов с низкоэнергетическими протонами рождаются гамма-лучи с характерной минимальной энергией. В силу отсутствия заряда на них не действуют магнитные поля, и они перемещаются по прямым линиям.

С помощью космического гамма-телескопа «Ферми» Штефан Функ и его коллеги из Национальной ускорительной лаборатории SLAC ( Stanford Linear Accelerator Center , Центр Стэнфордского линейного ускорителя) (г. Менло-Парк, штат Калифорния, США) наблюдали два остатка сверхновых. Они зарегистрировали большое количество гамма-лучей, чья энергия превышала характерный минимум, и в то же время почти не увидели гамма-лучей с низкими энергиями. Тем самым ученые подтвердили, что эти остатки сверхновых являются активными ускорителями частиц.

Но не у всех космических лучей одинаковое происхождение. Некоторые космические лучи состоят не из протонов, а из мюонов или позитронов; другие – космические лучи со сверхвысокими энергиями – вероятно, прибыли к нам из-за пределов нашей Галактики. Но похоже, что основная доля космических лучей, которые в основном отвечают за фоновую радиацию на Земле, происходят от остатков сверхновых.

Оказывается, что сильное ядерное взаимодействие не всегда является достаточно сильным. Если масса звезды составляет более 20 солнечных масс, то, когда в ее ядре заканчивается топливо и она начинает коллапсировать, никакая известная сила не может противостоять порыву звезды схлопнуться вовнутрь. Самогравитация неуклонно уплотняет вещество, уменьшая его объем, что приводит к образованию черной дыры.

Если воспользоваться общей теорией относительности Эйнштейна, чтобы описать происходящее с гравитационным полем черной дыры, то мы обнаружим, что прямо в центре описываемых событий кривизна пространства-времени становится бесконечной. Появляется особенность, «дыра» в ткани пространства-времени – так называемая сингулярность. Но это не все странности. Вокруг сингулярности образуется невидимая сферическая поверхность – горизонт событий. Ничто, попавшее под горизонт событий, не может вырваться наружу.

Ну, почти ничего. Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут быть не вполне черными: квантовая пена, состоящая из частиц и античастиц, рождающихся вблизи горизонта событий, испускает особое излучение – так называемое излучение Хокинга. Это может означать, что в невообразимо далеком будущем черные дыры потеряют всю свою энергию и полностью испарятся.

Хотя черных дыр непосредственно еще не наблюдали, ученые считают, что есть неопровержимые доказательства их существования. Их можно обнаружить по тому влиянию, которое они оказывают на астрофизические объекты – звезды или газ, находящиеся по соседству. В 1972 году именно таким образом обнаружили первую вероятную черную дыру – объект Лебедь X-1 ( Cygnus X-1 ). Она находится на расстоянии 6000 световых лет от Солнца. Невидимый объект вращается по орбите вокруг голубого сверхгиганта. Газ от этого сверхгиганта падает на невидимый объект и в процессе своего постепенно ускоряющегося падения нагревается и испускает интенсивное рентгеновское излучение. Масса объекта составляет около 15 масс Солнца – слишком много для того, чтобы он был нейтронной звездой. Поэтому с большой долей вероятности это именно черная дыра. После Лебедя X-1 было открыто много подобных кандидатов в черные дыры в рентгеновских двойных системах.