Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Область вокруг черной дыры – подходящее место для решающей проверки общей теории относительности. Какое расстояние будет максимально близким для наблюдений? Предел устанавливает горизонт событий, через который к нам не проходит никакая информация. Общая теория относительности также описывает несколько важных рубежей вне горизонта событий. Первый – так называемая фотонная сфера, где свет попадает в ловушку и начинает двигаться по круговым орбитам вокруг черной дыры. Поскольку масса отклоняет свет, можно представить массу, загнувшую свет в кольцо. Попади вы туда, фотон, начав путь от вашего затылка, обогнул бы черную дыру по орбите и достиг бы вашего глаза, и вы увидели бы собственный затылок. У неподвижной черной дыры радиус фотонной сферы в полтора раза больше радиуса Шварцшильда[284]. Вращающаяся черная дыра имеет две фотонные сферы и по мере своего вращения утягивает за собой пространство. Внутренняя фотонная сфера движется в направлении вращения, а внешняя – в противоположную сторону. Представьте себе пловца, пытающегося вырваться из водоворота. Для этого нужно плыть против течения – плывя по течению, он лишь приблизит печальную судьбу. Наблюдать фотонную сферу невозможно, поскольку фотоны пойманы в ловушку.

Мы входим в сферу наблюдений, оказавшись у внутреннего края аккреционного диска. Увлекаемые гравитацией к черной дыре, частицы трутся друг о друга, повышая температуру вещества, поэтому аккреционный диск представляет собой плазму, температура которой понижается по мере удаления от центра диска. Внутренний край определяется самой внутренней устойчивой орбитой, радиус которой в три раза больше радиуса Шварцшильда для неподвижной черной дыры и чуть выступает за горизонт событий у черной дыры, быстро вращающейся вокруг своей оси[285]

. Частица, оказавшаяся внутри устойчивой орбиты, втягивается в черную дыру и исчезает навсегда. Внутренняя кромка аккреционного диска черной дыры малой массы имеет температуру 10 млн кельвинов, а сверхмассивной – 100 000 кельвинов. Такой горячий газ дает мощное рентгеновское излучение.

Можем ли мы увидеть внутреннюю кромку аккреционного диска? Нет. Угловой размер слишком мал для любого телескопа. У ближней черной дыры – на расстоянии 100 световых лет – внутренняя кромка образует угол 10^–9 угловых секунд. Это как если пытаться рассмотреть булавочную головку на поверхности Марса. Ситуация немного лучше в случае со сверхмассивными черными дырами – например, с неактивными, обнаруженными в центре ближних галактик. Они в несколько миллионов раз дальше, но их горизонт событий в миллиард раз больше, поэтому внутренние радиусы их аккреционных дисков видны под углами от 10^–7

до 10^–6 угловых секунд. Это в несколько сотен раз меньше разрешения даже описанных выше радиоинтерферометров, следовательно, все еще недоступно для наблюдательной астрономии.

У астрономов есть только одна возможность заглянуть за железный занавес – спектроскопия. Газ аккреционного диска почти полностью состоит из ионов водорода и гелия, но две из каждого миллиона частиц являются ионами железа. Область сразу за аккреционным диском – это экстремально горячая корона. Рентгеновские лучи короны облучают несколько более прохладный аккреционный диск, а их энергия вызывает спектральные переходы железа. Железо – редкий элемент, но его спектральные характеристики – четкие и однозначные. Рентгеновский спектр показывает движение газа, потому что приближающаяся к нам часть аккреционного диска имеет голубое смещение, а удаляющаяся от нас – красное. Рентгеновские лучи внутренней части аккреционного диска также подвергаются сильному гравитационному красному смещению, поэтому спектральная линия железа расширяется и сдвигается в область низких энергий (илл. 48). Рентгеновское излучение дает замечательную возможность измерить гравитацию в пределах крохотного горизонта событий[286]

.

Эти наблюдения стали возможны благодаря запуску рентгеновского спутника ASCA в 1993 г. Впервые рентгеновские лучи внутренней кромки аккреционного диска массивной черной дыры удалось зарегистрировать на следующий год[287]. Гравитационное красное смещение линий рентгеновского спектра уже наблюдалось у десятка черных дыр звездной массы и аналогичного числа сверхмассивных черных дыр. Удивительный феномен в рентгеновском диапазоне, обнаруженный несколькими годами ранее, позволил открыть второе окно наблюдения за областями черных дыр.

Рентгеновское мерцание на краю бездны

В 1980-х гг. рентгеновские спутники начали мониторинг компактных звезд и звездных остатков и обнаружили быстро изменяющиеся источники рентгеновского излучения. Мерцание не было ритмичным, и явление назвали квазипериодическими осцилляциями. Впервые они наблюдались у белых карликов, затем у нейтронных звезд и черных дыр.