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

Источник, переменный на характерном масштабе времени T, не может иметь размеры излучающей области более чем L = cT, где с – скорость света.

Одной из самых хорошо изученных является черная дыра в центре нашей Галактики – объект Sgr A* (Стрелец A*) с массой около 4 млн солнечных. Расстояние до нее около 25 000 световых лет, вокруг нее удается наблюдать движение звезд, что и дает точное определение массы. Низкая эффективность аккреции на Sgr A* подтверждает его идентификацию в качестве черной дыры (вещество не контактирует с поверхностью, а уходит под горизонт, не успевая высветить свою энергию). В апреле 2017 г. были проведены наблюдения Sgr A* с помощью трансконтинентальной системы радиотелескопов Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Эти наблюдения призваны продемонстрировать наличие эффектов, характерных именно для черных дыр, а также определить параметры центрального массивного объекта.

Эффект гравитационного красного смещения приводит к тому, что свет, исходящий из области с большей гравитацией, выглядит для наблюдателя покрасневшим.

Кроме того, наблюдения аккрецирующих черных дыр (и сверхмассивных, и звездных масс) могут позволить измерить темп их вращения. Это связано с тем, что аккреционный диск не может подойти прямо к горизонту. В ОТО существует понятие «последняя устойчивая орбита», на более близких расстояниях устойчивое орбитальное движение невозможно, поскольку падающее вещество по спирали очень быстро попадает под горизонт. Для невращающейся черной дыры последняя устойчивая орбита располагается на трех шварцшильдовских радиусах, а для вращающейся – зависит от параметра вращения черной дыры (и от направления вращения вещества). Чаще всего вещество вращается в ту же сторону, что и черная дыра, в этом случае радиус последней устойчивой орбиты может быть меньше, чем в шварцшильдовском случае.

Во внутренних частях аккреционного диска энерговыделение происходит наиболее эффективно, но при приближении к черной дыре становится все более существенным гравитационное красное смещение. Если излучение диска содержит какую-либо спектральную деталь (часто это линия сильно ионизованного железа с энергией 6,4 кэВ), то ее вид (профиль) будет деформирован: появится так называемое «красное плечо», связанное с излучением внутренних частей диска, для которого велико гравитационное красное смещение. По степени «покраснения» этого излучения можно определить, насколько близко диск подходит к черной дыре.

В вопросе происхождения и эволюции сверхмассивных черных дыр есть еще много неясностей. Наверняка реализуется механизм, в котором все начинается с массивных звезд населения III (самые первые звезды во Вселенной). Благодаря особенностям химического состава (практически полное отсутствие элементов тяжелее гелия) они могли достигать масс в сотни солнечных, а в конце своей жизни превращались в черные дыры с массой около 200 солнечных. Затем в процессе иерархического скучивания эти черные дыры попадали в формирующиеся галактики и довольно быстро, будучи массивными объектами, оседали в их центральных частях, где за счет аккреции (и иногда слияния с другими черными дырами) их масса постепенно росла. Постепенно росла и масса центральной сферической составляющей галактики (это объясняет корреляцию массы черных дыр с массами балджей). Таким путем можно к настоящему времени нарастить массу до миллиардов масс Солнца.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики (около 4 млн масс Солнца) определена с помощью непосредственного наблюдения движения звезд вокруг нее.

Однако такой механизм не объясняет существования массивных черных дыр спустя всего лишь сотни миллионов лет после начала формирования звезд и галактик. Такие объекты известны, например, благодаря наблюдениям очень далеких мощных квазаров. Для их объяснения нужны бóльшие начальные массы «затравочных» черных дыр. Это возможно, если происходит коллапс достаточно больших газовых облаков, дающих в итоге черные дыры с массами в тысячи и десятки тысяч солнечных. Такие объекты, попав в центральные части галактик, могут достаточно быстро (за сотни миллионов лет) нарастить массы до миллиарда солнечных, объяснив тем самым существование активных ядер высокой светимости в первый миллиард лет жизни Вселенной.

Наконец, существует сценарий, в котором массивные черные дыры формируются за счет эволюции плотных скоплений звезд в ядрах галактик. После достижения некоторой критической плотности в центре скопления звезды начинают активно сливаться друг с другом, что в итоге приводит к появлению черной дыры.