Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

В-третьих, как представлялось Блэндфорду, магнитные силовые линии, захватываемые диском и застревающие в нем, будут вынуждены под действием орбитального движения диска круг за кругом вращаться вокруг черной дыры (рис. 9.1 в). Вращающиеся силовые линии примут форму спиралей, расходящихся вверх и в стороны (или в стороны и вниз). Электрические силы должны удерживать раскаленный газ (плазму) на вращающихся силовых линиях, поскольку плазма может двигаться лишь вдоль силовых линий, но не поперек них. Поскольку силовые линии вращаются, центробежные силы должны выталкивать плазму наружу вдоль силовых линий, образуя две намагниченные струи, одна из которых выстреливает в стороны и вверх, а другая — в стороны и вниз. И опять-таки направление струй будет строго привязано к вращению черной дыры.

9.7. Четыре способа, с помощью которых черная дыра или ее аккреционный диск могут обеспечивать энергией парные струи, (а) Ветер с диска выдувает пузырь в окружающем вращающемся газовом облаке; раскаленный газ пузыря пробивает в облаке вдоль оси вращения устья, и из них вырываются струи раскаленного газа. (б) Диск под действием огромного внутреннего жара раздувается, и поверхность раздувшегося вращающегося диска формирует две воронки, которые собирают ветер с поверхности диска в две струи, (в) Магнитные силовые линии, захваченные диском, вовлекаются в его орбитальное вращение; при вращении вдоль магнитных силовых линий выбрасывается наружу вверх и вниз плазма, и образуются две намагниченные струи, (г) Магнитные силовые линии пронизывающие черную дыру, вовлекаются во вращение искривлением пространства вокруг черной дыры и вращаясь эти силовые линии выбрасывают плазму вверх и вниз, образуя две намагниченные струи

Четвертый способ образования струй интереснее остальных и требует больших объяснений. В этом четвертом способе черная дыра пронизывается магнитными силовыми линиями, как показано на рис. 9.7 г.

При вращении черной дыры она втягивает в свое вращение и силовые линии, заставляя их отбрасывать плазму вверх и вниз, точно так же как и в третьем способе, образовывая две струи. Струи выстреливают вдоль оси вращения, и их направление поэтому прочно привязано к гироскопическому вращению черной дыры. Этот способ был придуман Блэндфордом вскоре после защиты им диссертации в Кембридже, вместе с аспирантом Романом Знаеком, и потому получил название процесс Блэндфорда — Знаека.

Процесс Блэндфорда — Знаека представляет особенный интерес, поскольку энергия, уходящая вместе со струями, черпается непосредственно из колоссальной энергии вращения черной дыры. (Это должно быть очевидно, поскольку именно вращение черной дыры скручивает пространства, завихрение пространства заставляет вращаться магнитные силовые линии, а вращение силовых линий извергает струи наружу.)

Но как такое возможно? Ведь в процессе Блэндфорда — Знаека горизонт черной дыры оказывается пронизанным магнитными силовыми линиями? А такие силовые линии будут чем-то вроде «волос», которые могут превратиться в электромагнитные волны и излучиться и, согласно теореме Прайса (глава 7), должны излучиться. Фактически теорема Прайса справедлива только тогда, когда одинокая черная дыра располагается далеко от других объектов. Черная дыра, которую мы обсуждаем, не одинока; она окружена аккреционным диском. Если силовые линии торчат из черной дыры, как на рис. 9.7 г, то линии, выходящие в северную полусферу дыры и выходящие в южную полусферу, оказываются продолжением друг друга, и единственный способ для этих силовых линий выйти наружу — это пробиться через раскаленный газ аккреционного диска. Но раскаленный газ не позволит силовым линиям пройти, он прочно удерживает их в области пространства вблизи внутренней поверхности диска, а поскольку значительная часть этой области занята черной дырой, большая часть пойманных силовых линий пронизывает черную дыру.

Откуда же берутся эти магнитные силовые линии? Из самого диска. Весь газ во Вселенной хоть немного намагничен, и газ диска не является исключением[93]. Мало помалу собираясь около черной дыры, он приносит с собой свои магнитные силовые линии. Приближаясь к черной дыре, газ, каждая порция газа, соскальзывает со своих магнитных линий и проходит горизонт, оставляя после себя силовые линии, торчащие наружу, как на рис. 9.7 г. Эти пронизывающие силовые линии, прочно удерживаемые окружающим диском, должны в ходе процесса Блэндфорда — Знаека черпать энергию вращения черной дыры.

Все четыре способа образования струй (устья в газовых областях, ветер с воронок, завихрение силовых линий, захваченных полем, и процесс Блэндфорда — Знаека), возможно, в разной степени действуют в квазарах, радиогалактиках и в центрах некоторых других своеобразных галактик (называемых галактиками с активными ядрами).

* * *

Если квазары и радиогалактики черпают энергию от одного и того же механизма — черной дыры, почему они настолько различны? Почему свет от квазара кажется приходящим от ярко светящегося звездоподобного источника размером в 1 световой месяц или даже меньше, тогда как свет от радиогалактики приходит от скопления звезд подобного Млечному Пути размером в 100000 световых лет?

В действительности квазары почти наверняка не сильно отличаются от радиогалактик — их центральное ядро также окружено звездной галактикой размером в 100000 световых лет. Однако в квазарах центральная черная дыра особенно интенсивно питается аккрецирующим газом (рис. 9.8), и разогрев под действием трения, соответственно, очень силен. Этот ужасный жар заставляет диск светиться настолько ярко, что его оптическое свечение в сотни и тысячи раз больше, чем у всех окружающих звезд в этой галактике вместе взятых. Астрономы, ослепленные сиянием диска, не могут видеть других звезд галактики, и поэтому объект выглядит как «квазизвезда» (т. е. подобная звезде крошечная яркая световая точка), а не как галактика.[94]

Внутренняя область диска настолько горяча, что испускает рентгеновские лучи; чуть дальше диск холоднее и испускает ультрафиолетовое излучение; еще дальше оптическое излучение (видимый свет); а самые внешние области еще холоднее и испускают инфракрасное излучение. Область, излучающая в световом диапазоне, обычно имеет размер около одного светового года, хотя иногда, например в 3C273, она может быть размером в световой месяц или еще меньше и потому может менять светимость за периоды длительностью не больше месяца. Большая часть рентгеновского и ультрафиолетового излучения, вырывающегося из внутренних областей, сталкивается с газовыми облаками и нагревает их на расстоянии нескольких световых лет от диска — именно эти нагретые облака излучают спектральные линии, которые позволили открыть квазары. Намагниченный ветер, дующий от диска в некоторых, но не во всех, квазарах может быть достаточно сильным и достаточно хорошо сколлимированным, чтобы образовать радиоизлучающие струи.

9.8. Так мы сегодня понимаем структуру квазаров и радиогалактик. Эта подробная модель, основанная на данных наблюдений, была разработана Стерлом Финни в Калтехе, а также другими учеными

В радиогалактиках, в отличие от квазаров, центральный аккреционный диск предположительно относительно малоподвижен. Эта малоподвижность означает малое трение, а потому слабый нагрев и низкую светимость и, следовательно, диск светит не так ярко, как остальная галактика. Поэтому астрономы видят в оптические телескопы галактику, а не диск. Однако диск, вращающаяся черная дыра и магнитные поля, пронизывающие черную дыру, вместе порождают сильные струи, вероятно так, как это показано на рис. 9.1 г (процесс Блэндфор-да — Знаека), и эти струи извергаются из галактики в межгалактическое пространство, где питают энергией гигантские галактические радиоизлучающие лепестки.

* * *

Эти объяснения квазаров и радиогалактик, опирающиеся на черные дыры, настолько удачны, что возникает искушение заключить, что они должны быть правильными, а галактические струи являются уникальными подписями, кричащими нам: «Я иду от черной дыры!» Однако астрофизики более осторожны. Они хотели бы иметь абсолютно железный случай. Все еще остается возможность объяснить все наблюдаемые свойства радиогалактик и квазаров, используя альтернативный, без черной дыры, механизм: быстро вращающаяся, намагниченная сверхмассивнная звезда, в миллионы или миллиарды раз более тяжелая, чем Солнце, — тип звезд, никогда не наблюдавшийся астрономами, но которые, как предполагает теория, могут образовываться в ядрах галактик. Подобные сверхмассивные звезды должны вести себя во многом так же, как аккреционный диск. Сжимаясь до меньшего размера (но до размера все же большего, чем критическая окружность), они должны высвобождать колоссальное количество гравитационной энергии — эта энергия через трение может нагревать звезду настолько, что она начинает ярко светить подобно аккреционному диску, а магнитные силовые линии, привязанные к звезде, могут вращаться и струями выбрасывать плазму.