Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Вопрос в том, как устроить асимметрию? Здесь окончательного ответа до сих пор нет. Споры до сих пор продолжаются, отчасти потому, что нам не хватает наблюдательных данных, отчасти из-за того, что физика взрыва сверхновых очень сложная.

Основных механизмов генерации асимметрии два. Во-первых, взрыв просто может быть достаточно несимметричным, и возникнет такая ситуация. Есть свежеобразовавшийся компактный объект, а рядом, в выброшенном веществе, имеется область с повышенной плотностью. Она притянет к себе нейтронную звезду и будет ее разгонять. То есть если распределение вещества вокруг компактного объекта после взрыва сильно несимметрично, то возникают условия для разгона.

Вторая идея связана с нейтрино (ее впервые детально обсуждал Николай Чугай в 1984 году), поскольку именно они уносят основную энергию при взрыве сверхновой. Нейтрино в огромном количестве рождаются в коллапсирующем ядре звезды. Например, нейтрино возникают при образовании нейтронов в результате захвата электронов протонами в ядрах элементов при высоких плотностях (так называемая нейтронизации вещества). Если все сразу не ушло под горизонт черной дыры, то в какой-то момент, когда вещество прозрачно для нейтрино, они устремятся наружу. Задача теперь состоит в том, чтобы сделать несимметричным поток нейтрино. И здесь опять-таки есть несколько идей.

Во-первых, вы можете сделать распределение плотности вещества неоднородным. Тогда где-то вещество будет для нейтрино более прозрачным, а где-то менее прозрачным. Соответственно, туда, где прозрачно, нейтрино полетит больше. В этом направлении как бы будет работать реактивный двигатель. Значит, по закону сохранения импульса, нейтронная звезда начнет двигаться в противоположном направлении.

Другая идея связана с сильными магнитными полями. Нейтрино «чувствуют» магнитное поле, оно будет направлять их движение. В симметричной ситуации (например, в случае дипольного магнитного поля) возникнет две идентичные нейтринные струи. Но если магнитное поле в молодой нейтронной звезде (которая еще только образуется, и в ней все бурлит, все изменяется) будет немного несимметрично, то реактивный двигатель будет работать несимметрично. В одну сторону будет «дуть» меньше, в другую больше, и нейтронная звезда сможет разгоняться.

Если при рождении компактного объекта происходит временное усиление магнитных полей до очень высоких величин (такую модель называют магнито-ротационным взрывом, ее придумали и разрабатывают Геннадий Бисноватый-Коган и его коллеги), то здесь также симметрия может быть нарушена. А значит, возможно ускорение компактного объекта.

Похожая штука может работать и с черными дырами, если они образуются не сразу, а в два этапа. Если вещество не сразу ушло под горизонт, а вначале возникло тело вроде молодой нейтронной звезды (так называемая протонейтронная звезда), тогда, пока существует этот объект, наружу могут вылетать нейтрино, могут возникать струи вещества, могут происходить всякие бурные процессы. И все это может быть асимметричным. Таким образом новорожденный компактный объект может успеть разогнаться. А потом, когда образуется черная дыра, она «запомнит» скорость.

Для черных дыр скорости могут быть немного меньше, чем у нейтронных звезд, просто потому, что они более тяжелые. Если типичная масса нейтронной звезды – это полторы массы Солнца, то типичная масса черной дыры – примерно 5–10 масс Солнца, т. е. в несколько раз больше, значит, скорости будут в несколько раз меньше. Примерно это и наблюдается.

Нейтронных звезд мы знаем довольно много. Это в основном радиопульсары (их проще открывать), которых известно около 2000. Для многих из них скорости достаточно хорошо измеряются. А вот черных дыр мы знаем мало. Есть всего несколько кандидатов в одиночные черные дыры, открытых с помощью микролинзирования. Их точная скорость не определена, приблизительно это 100 км/с.

Зато есть двойные системы с черными дырами. Их известно около полусотни. Можно измерить скорости таких систем. В некоторых случаях мы видим, что вся двойная летит с большой скоростью, что нетипично для них. То есть, что-то ее разогнало. Это связывают с дополнительной скоростью, которую получают черные дыры в таких системах. Ее можно оценить. Снова получается величина в среднем в несколько раз меньше, чем у нейтронных звезд. Так что кажется, что гипотеза работает: «стратегия ускорения» нейтронных звезд и черных дыр одна и та же, но первые легче разогнать.

В случае нейтронных звезд дополнительную информацию о механизме разгона дает взаимная ориентация оси вращения и направления движения. Наблюдения показывают, что угол между этими векторами распределен не случайно. Есть тенденция к их примерной (но не точной!) соосности. Это может говорить о том, что время работы механизма не слишком мало и не слишком велико по сравнению с периодом вращения новорожденной нейтронной звезды. Ведь если бы «двигатель» долго работал на вращающейся звезде, то произошло бы усреднение переданного импульса относительно оси вращения, т. е. скорость стала бы направленной вдоль этой оси. А если бы разгон происходил почти мгновенно, то два вектора могли бы быть совсем не скоррелированными. Некоторые модели разгона предсказывали, что угол будет очень близок к 0 или к 90 градусам. Теперь эти сценарии можно отбросить.

Гравитационная ракета

В случае черных дыр есть еще один очень экзотический механизм разгона. Массивные звезды любят образовываться парами. Соответственно, есть такие пары, где обе звезды очень массивны. После взрывов они обе порождают черные дыры. И в довольно редких случаях система не распадается. То есть система пережила первый взрыв сверхновой, пережила второй, и у нас образовалась двойная черная дыра.

Со временем такая система становится все более компактной. Двигаясь по орбитам, черные дыры испускают гравитационные волны, и таким образом уносятся момент импульса и энергия. Дыры становятся все ближе и ближе друг к другу, пока наконец не сольются. Детекторы LIGO и VIRGO должны уловить гравитационно-волновые сигналы от этих слияний.

В 1960-е годы поняли удивительную вещь: гравитационные волны излучаются несимметрично. На первый взгляд кажется, что все симметрично: двойная система, два объекта водят хоровод по кругу. Однако это не так: ведь черные дыры сближаются по сворачивающейся спирали.

Любой объект, двигающийся с большой скоростью, больше излучает в направлении своего движения (точнее, так это выглядит в лабораторной системе отсчета). Это эффект Специальной теории относительности. Поэтому излучение гравитационных волн в системе из двух черных дыр идет несимметрично. Так происходит потому, что массы черных дыр отличаются друг от друга (добиться точного равенства масс практически невозможно). Это особенно заметно на последних стадиях, когда дыры фактически падают друг на друга. Гравитационные волны уносят не только момент импульса, но и обычный импульс. Получается удивительная штука. Представьте, что перед глазами у нас пара черных дыр. Они крутятся, центр масс системы вначале покоится относительно нас. Но по мере сближения черных дыр вся система начинает мало-помалу разгоняться. А потом они сливаются, и получившаяся черная дыра с огромной скоростью куда-то улетает.

Этот процесс называют гравитационно-волновой ракетой. И прелесть эффекта в том, что он не зависит от массы черных дыр, а зависит только от отношения масс (и от того, как они вращаются).

Это означает, что, если у нас сливаются две черные дыры с массами 5 и 10 масс Солнца или 5 и 10 миллиардов масс Солнца, то они в итоге могут приобрести одну и ту же скорость. Скорость посчитать очень непросто, поскольку на последнем этапе работает очень сильная гравитация, да еще в динамике (т. е. все быстро меняется). А мы плохо умеем решать такие задачи даже на суперкомпьютерах. Однако порядок скоростей удается оценить: получаются сотни километров в секунду. Максимальные скорости могут быть даже больше.

Сотни километров в секунду – с чем можно сравнить такую скорость? Это скорость, которая позволяет объекту улететь из Галактики. Чтобы покинуть Землю и стать спутником, нужна первая космическая скорость – почти 8 км/с. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и улететь в межпланетное пространство, нужно уйти за отметку 11 км/с. Есть скорость, которая позволяет улететь из Солнечной системы. А есть скорость, которая позволяет покинуть Галактику. Она зависит от того, из какого места вы стартуете. Но даже в центральных областях тысячи километров в секунду хватит для того, чтобы перестать быть гравитационно-связанным с нашей Галактикой и начать бороздить межгалактическое пространство. И черные дыры могут приобретать такие скорости.