Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Выпадение вещества на черную дыру может происходить как без выделения энергии (аккреция пыли), так и с выделением большого количества энергии, достигающей 42 % от максимально возможного значения, равного mc2 (такое происходит при аннигиляции). Поэтому аккреция на максимально вращающуюся черную дыру является вторым по эффективности механизмом выделения энергии в природе и уступает лишь аннигиляции. Учитывая, что количество антивещества крайне ограничено, аккреция на черные дыры является самым эффективным способом выделения энергии среди широко распространенных.

Аккреция – процесс выпадения вещества на массивный объект, происходящий в основном за счет гравитационного притяжения.

Если падающее на черную дыру вещество образует так называемый аккреционный диск, за счет вязкости оно разогревается до высоких температур, что приводит к выделению большого количества энергии. Теория дисковой аккреции начала активно развиваться в начале 1970-х гг. в классических работах Николая Шакуры, Рашида Сюняева, Игоря Новикова и Кипа Торна.

Полость Роша – область вокруг звезды, в которой ее гравитация контролирует движение легких тел.

Большой поток вещества может быть обеспечен в тесных двойных системах. На определенном этапе эволюции черная дыра может иметь в качестве компаньона звезду, заполнившую свою полость Роша (см. раздел 4.4 «Двойные и кратные звезды. Аккреция»). Вещество начинает активно перетекать на черную дыру через так называемую внутреннюю точку Лагранжа, в результате формируется аккреционный диск и появляется яркий рентгеновский источник.

Светимость аккрецирующего источника имеет верхний предел, называемый эддингтоновской светимостью. Его появление связано с давлением света: поток излучения может стать настолько велик, что остановит падающее вещество. Этот предел зависит от массы аккрецирующего объекта и свойств падающего вещества, в случае реалистичных двойных систем с черными дырами он составляет около миллиона светимостей Солнца для черной дыры массой около 25–30 солнечных. Предел линейно растет с ростом массы, поэтому для объяснения источников со светимостями порядка нескольких миллионов или десятков миллионов светимостей Солнца были предложены черные дыры промежуточных масс, имеющие более высокий предел.

В двойных системах возможно достаточно надежное определение масс компонент. Наличие яркого рентгеновского источника позволяет заподозрить присутствие в системе компактного объекта – нейтронной звезды или черной дыры. Отсутствие регулярных пульсаций излучения, а также некоторые спектральные особенности могут дать косвенные аргументы в пользу черной дыры, окончательный вывод делается по измерению массы. Для нейтронных звезд существует верхний предел массы (предел Оппенгеймера – Волкова), который составляет примерно 2–3 массы Солнца. Если наблюдения показывают, что масса компактного объекта превосходит три солнечных, то он становится хорошим кандидатом в черные дыры (типичные измеренные массы черных дыр в двойных системах составляют 5–10 солнечных).

Внутренняя точка Лагранжа – место соединения полостей Роша в двойной системе.

Первый хороший кандидат в черные дыры был открыт в начале 1970-х гг. Это рентгеновская двойная система Лебедь Х-1, в которой спутником компактного объекта является яркая звезда-гигант. Оценки массы компактного объекта показали, что она, вероятнее всего, превосходит три солнечных. Сейчас известно несколько десятков кандидатов в черные дыры в рентгеновских двойных системах, в большинстве из них спутником компактного объекта является маломассивная нормальная звезда. Значительную часть времени такие системы проводят в так называемом спокойном состоянии, когда рентгеновская светимость становится крайне низкой. Это свойство является косвенным аргументом в пользу гипотезы о черной дыре, поскольку в системах с нейтронными звездами энерговыделение не падает до таких низких уровней.

Модель дисковой аккреции была создана в работах Николая Шакуры, Рашида Сюняева, Игоря Новикова и Кипа Торна в начале 1970-х гг.

Формально существование черных дыр остается гипотезой. Доказать отсутствие поверхности и наличие горизонта у астрофизического объекта – сложная задача. Однако существует ряд хороших косвенных аргументов в пользу черных дыр. Один из них связан с отсутствием феномена рентгеновских барстеров в системах с кандидатами в черные дыры: накапливание гелия на поверхности аккрецирующей нейтронной звезды приводит к термоядерному взрыву, наблюдаемому как мощная рентгеновская вспышка, а в аналогичных системах с кандидатами в черные дыры такие вспышки не наблюдаются. Самое простое объяснение состоит в том, что накапливания вещества не происходит из-за отсутствия поверхности. К сожалению, это лишь косвенный аргумент, и он не может служить окончательным доказательством существования черных дыр.