Диалоги (ноябрь 2003 г.) - Александр Гордон

Валерий Сулейманов: Это от «топлива» зависит, которое поступает на эту черную дыру. От количества падающей на нее материи.

С.Ф. Да, то есть энерговыделение квазара зависит от структуры галактики. Некоторые квазары, наиболее активные, их всего несколько процентов, являются источниками радиоструй. Наблюдаются струи, струйные выбросы, они наблюдаются с помощью радиотелескопов. А микроквазары – черные дыры в тесных двойных системах, массы которых – всего несколько солнечных масс, что примерно в миллионы раз меньше. Было как-то естественно назвать их микроквазарами, хотя мне это определение не нравится, оно несколько филологичное. И еще, если вы на радиотелескопе получили картинку, и смотрите, вы в принципе не отличите, это квазар или микроквазар.

В.С. Дело в том, что от них тоже есть струи, такие же как от настоящих квазаров, просто масштабы их соответственно меньше.

А.Г. И они не обязательно должны находиться в центре галактики, достаточно двойной системы.

В.С. Да, да. Но самое главное, что они потому неотличимы, что они ближе к нам находятся, в нашей Галактике, поэтому масштаб изображения на фоне, в картинной плоскости такой же получается, как у квазаров далеких – они большие, но зато далеко. А здесь маленькие, но близко. Поэтому масштаб одинаковый и выглядят они одинаково.

А.Г. Значит ли это, что мы можем наблюдать микроквазары, которые находятся только в нашей Галактике?

С.Ф. Нет, не значит. Микроквазаров не так много, известно около 20. И поэтому мы выходим в другие галактики, где они более слабые из-за того, что расстояние больше, чтобы искать подобные объекты, и об этом будет определенная речь. Принципиально важно, что черная дыра, чтобы она была наблюдаема, должна подпитываться газом. В микроквазарах – это тесные двойные системы с черной дырой – происходит перетекание газа с одного компонента на второй.

В.С. То есть с одной звезды, нормальной, которая расширилась до того момента, когда, собственно говоря, сила притяжения на поверхности этой звезды равна силе притяжения к черной дыре. Поэтому получается растаскивание, газ перетаскивает прямо с поверхности звезды к черной дыре.

С.Ф. А в недрах галактик подкормка происходит за счет того, что газ в галактике за счет трения медленно стекает к центру.

В.С. Или при взаимодействии двух галактик, что тоже очень вероятно, круговое движение газа нарушается и он может попасть на черную дыру.

С.Ф. От этой подкормки зависит светимость четной дыры. Сколько падает граммов за секунду в центр, на черную дыру, столько и высветится, соответственно, около черной дыры (Валерий более подробно расскажет об этом через минуту), высветится около 6-10 процентов от «эм-це-квадрат». Это огромное энерговыделение и огромное КПД, потому что если сравнить с термоядерными или с ядерными источниками энергии – это в десятки раз больше, более эффективно. Микроквазары – это не только черные дыры, ярчайшие рентгеновские источники, это объекты, выбрасывающие струи. Далеко не все черные дыры в двойных системах так себя ведут. Считается, что для того чтобы появились струи, релятивистский объект должен быть, во-первых, черной дырой. В крайнем случае, нейтронной звездой без сильного магнитного поля, чтобы магнитное поле не поломало аккреционный диск (на картинке как раз аккреционный диск), чтобы газ дошел буквально до центра, до радиуса Шваршильда, тогда появляется возможность выброса струй.

В.С. Здесь на картинке мы можем видеть как раз ту систему, которую мы долго описывали, тесную двойную, где с нормальной звезды идет струя вещества и бьет на черную дыру. И вещество закручивается в кольцо, в диск вокруг черной дыры, потому что оно не может прямо на него упасть из-за того, что происходит вращение системы вокруг общего центра масс. Вещество должно как-то терять свой угловой момент, как спутник-ракета вокруг Земли крутится, и чтобы упасть на нее, на Землю, нужно затормозиться, потерять угловой момент, и здесь точно также. В диске потеря углового момента происходит из-за трения соседних слоев, вращающихся с разной скоростью. При этом выделяется очень большая энергия.

А.Г. Простите, еще один вопрос. А где находится центр массы такой системы, потому что ведь черная дыра…

В.С. Центр массы зависит от массы черной дыры. Нормальная звезда – порядка массы Солнца, наверное, в так называемых маломассивных рентгеновских двойных, или больше гораздо, если это рентгеновская двойная большой массы.

С.Ф. Центр массы посередине.

В.С. Это зависит от массы компонентов, где-то между ними находится. Если массы равные, то посередине, и чем больше масса черной дыры по сравнению с массой звезды, тем ближе к черной дыре.

С.Ф. Механизм ускорения струй.

В.С. Сейчас такие струи, которые мы видели на предыдущей картинке, которые сейчас видим, наблюдаются практически у всех объектов с аккреционными дисками. Поэтому механизмов ускорения струй, скорее всего, несколько. Их, как минимум, известно три. Просто гидродинамические, когда избыточное давление падающего вещества выбрасывает, выталкивает газ перпендикулярно диску в молодых звездах, когда давление излучения, давление света просто выталкивает газ при сверхкритической аккреции, но об этом мы немножко позже поговорим. Или электромагнитный механизм. То есть когда магнитным полем ускоряются частицы, и бьют такие две струи.

А.Г. Верните предыдущую картинку, я хочу уточнить о чем идет речь. Вот эта вертикальная голубая струя…

В.С. Голубые объекты – это и есть струи. А желтенький вокруг – это ветер, просто оттекающий от диска, с меньшей гораздо скоростью.

С.Ф. Центральная часть аккреционного диска более горячая, здесь художник это изобразил голубым, синим цветом.

А.Г. И энергия вертикального потока этих струй, которые выбрасываются, гораздо больше, чем энергия газа, который падает?

В.С. Нет.

А.Г. Тогда за счет чего достигается ускорение?

В.С. Дело в том, что энергии же не может взяться больше, чем она поступила. Поэтому источником энергии является гравитационная энергия падающего вещества. Ее, естественно, должно быть больше, чем энергии оттекающих струй.

А.Г. Понял, спасибо.

С.Ф. Можно так сказать, что там работает очень грубая и поэтому правильная формула для потенциала, или для энерговыделения: в числителе масса, в знаменателе – радиус. Масса – это масса черной дыры или центрального объекта. А радиус – это радиус по диску. И ясно, что чем ближе подходит газ к черной дыре – радиус меньше в знаменателе, получается больше энерговыделение. Там диск разогревается до огромных температур.

В.С. Миллионы градусов.

С.Ф. И существуют специфические механизмы, в частности, электромагнитный, когда вращающаяся черная дыра закручивает вокруг себя пространство, образуются магнитные поля, тороидальное магнитное поле, а электрическое поле направлено по оси вращения. Оно ускоряет заряженные релятивистские частицы – струи.

На предыдущей картинке были показаны как раз результаты наблюдения этих струй. Это знаменитый микроквазар, так называемый gamma-ray source GRS 1915+105. Его последовательно наблюдала группа Ральфа Спенсера, это европейская сеть радиотелескопов со сверхдлинными базами. Масштаб здесь – миллисекунды дуги. Последовательно слева направо видна эволюция струй, после того как они были выброшены. Это картинки были получены через дни. Где-то там слева, соответственно, не нарисован источник. И линии проведены так, что видно, что облака плазмы распространяются по баллистическим траекториям. В этих объектах наблюдаются так называемые сверхсветовые скорости. Об этом, вероятно, в ваших передачах не говорилось. Скорость больше, чем скорость света, запрещена. Но в космосе эти вещи наблюдаются. Это чисто релятивистские эффекты. Если источник движется примерно на наблюдателя со скоростью около скорости света, то сам источник и кванты, излученные им (они движутся со скоростью света), – все движется примерно со скоростью света. То есть весь этот фронт не так уж далеко распространяется. Вся информация приходит к нам сжатой во времени. Таким образом, объект мог 10 лет излучать, 10 лет двигалась эта струя. А мы наблюдаем всю картину за 10 дней. Перед нами картинка ускоренно разворачивается.

В.С. Мы делим на 10 дней, хотя делить надо на 10 лет.

С.Ф. Такие сверхсветовые скорости наблюдаются в радиодиапазоне, они наблюдаются и в квазарах, и в микроквазарах. Кстати, хотел сказать, что где-то в начале 70-х годов, когда открыли сверхсветовые скорости, был большой шум. Люди, вероятно, не очень грамотные, говорили, что Вселенная слишком большая, надо ее сжать. Мол, мы неправильно представляем масштабы Вселенной – нельзя же двигаться быстрее скорости света! Но в работах наших астрофизиков, а именно, в первую очередь, Виталия Лазаревича Гинзбурга, это 60-е годы, а также гениального астрофизика Мартина Риса из Кембриджа, такие вещи уже были предсказаны. И быстро довольно было понято, что это релятивистские эффекты. Релятивистские эффекты, вообще, очень красивы и необычны.