Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

При приближении солнцеподобной звезды к черной дыре в несколько миллионов солнечных масс радиус уничтожения приливными силами существенно превысит радиус Шварцшильда. Однако, поскольку радиус Шварцшильда увеличивается линейно с ростом массы, а радиус уничтожения приливными силами растет медленнее, черные дыры больше 100 млн солнечных масс пожирают звезды до того, как они будут разорваны. Можно сказать, что большая черная дыра заглатывает добычу целиком, а маленькая – рвет на части, прежде чем съесть. Судьба звезды также зависит от ее размера и стадии эволюции. Большие звезды испытывают более мощные приливные силы, поэтому красный гигант, направляющийся в центр галактики, будет разорван на гораздо большем расстоянии от черной дыры, чем Солнце, а белый карлик исчезнет внутри горизонта событий целиком. Судя по численному моделированию, интенсивность аккреции после уничтожения звезды зависит от массы черной дыры. Если доверять результатам моделирования, время между разрыванием звезды и максимальной яркостью свечения можно использовать для «взвешивания» черной дыры. Для такой звезды, как Солнце, временная задержка составляет месяц в случае с черной дырой в 10⁶ солнечных масс и увеличивается до трех лет, если черная дыра имеет массу в 10⁹ солнечных.

Что говорят наблюдения? Рентгеновские телескопы позволили увидеть около 20 случаев разрыва небесного тела приливными силами, включая пару событий, когда аккреция была так эффективна, что яркость намного превосходила пределы, установленные Эддингтоном 100 лет назад[295]

. Маленькая выборка событий показала, что резкий всплеск аккреции может питать релятивистские джеты, замеченные у радиоквазаров[296]. Все это – примеры из далеких галактик, поэтому, поняв, что газовое облако G2 направляется к черной дыре в центре нашей Галактики, астрономы пришли в восторг. В конце 2013 г. газовое облако прошло очень близко от массивной черной дыры и… ничего. Однако примерно через год после этого частота рентгеновских вспышек увеличилась в десять раз, до одной за день. Это навело на мысль о том, что объект G2 был не облаком, а звездой с большой оболочкой, и нужно больше времени, чтобы черная дыра схватила и поглотила вещество[297]. Шоу продолжается. После 15 лет сбора данных рентгеновские астрономы ждут второго прохождения G2 мимо черной дыры. Надежды слегка омрачаются тем, что все события, наблюдаемые нами в центре Галактики, произошли 27 000 лет назад.

Тем временем оптическая астрономия внимательно следит за S2 – звездой, которая делает оборот вокруг черной дыры в центре Галактики за 16 лет. У ученых есть новый инструмент GRAVITY, объединяющий свет четырех 8,2-метровых телескопов VLT Европейской южной обсерватории и обеспечивающий точность угловых измерений, сопоставимую с точностью одиночного 130-метрового телескопа. В 2018 г. S2 пройдет очень близко от черной дыры, и у нас будет беспрецедентная возможность проверить общую теорию относительности. Предполагается, что она пройдет всего в 17 световых часах от горизонта событий со скоростью в 3 % скорости света. Она может быть разорвана на части или проглочена целиком[298].

Уничтожение звезды черной дырой, безусловно, пробуждает воображение. В 2015 г. это подсказало авторам одного репортажа аналогию с кулинарией: «Черные дыры заглатывают звезды целиком и кусками»[299], а английскую газету Daily Mail

 – на пафосный заголовок «Отзвуки космической бойни: зарегистрированы предсмертные вопли умирающих звезд, разрываемых на части сверхмассивными черными дырами»[300]. Звезды ничего не чувствуют и не издают звуков, а звук не может распространяться в вакууме, но остальное верно.

Вращение черной дыры

Черные дыры поразительно просты, теорема «об отсутствии волос» гласит, что они описываются всего двумя показателями: массой и осевым вращением. В первой части книги мы обсудили способы измерения массы черной дыры. Обычно нужен или видимый орбитальный компаньон, если черная дыра является коллапсировавшей звездой, или влияние на движение ближних звезд, если дыра массивна и находится в центре Галактики. Что можно сказать о вращении?

В теории Ньютона гравитация не зависит от вращения, но в теории Эйнштейна масса участвует в геометрии пространственно-временного континуума. В 1918 г. было предсказано, что вращение массивного объекта должно искривлять пространство-время, вызывая прецессию орбиты находящегося рядом меньшего объекта, что напоминает покачивание верхушки волчка. Такое закручивание координатной сетки называется увлечением инерциальной системы отсчета. Вспомните живое описание водоворота в рассказе По. Как и другие слабые эффекты общей теории относительности, этот первым делом надо искать поблизости.