Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Большой поток вещества может быть обеспечен в тесных двойных системах. На определенном этапе эволюции черная дыра может иметь в качестве компаньона звезду, заполнившую свою полость Роша (см. раздел 4.4 «Двойные и кратные звезды. Аккреция»). Вещество начинает активно перетекать на черную дыру через так называемую внутреннюю точку Лагранжа, в результате формируется аккреционный диск и появляется яркий рентгеновский источник.

Светимость аккрецирующего источника имеет верхний предел, называемый эддингтоновской светимостью. Его появление связано с давлением света: поток излучения может стать настолько велик, что остановит падающее вещество. Этот предел зависит от массы аккрецирующего объекта и свойств падающего вещества, в случае реалистичных двойных систем с черными дырами он составляет около миллиона светимостей Солнца для черной дыры массой около 25–30 солнечных. Предел линейно растет с ростом массы, поэтому для объяснения источников со светимостями порядка нескольких миллионов или десятков миллионов светимостей Солнца были предложены черные дыры промежуточных масс, имеющие более высокий предел.

В двойных системах возможно достаточно надежное определение масс компонент. Наличие яркого рентгеновского источника позволяет заподозрить присутствие в системе компактного объекта – нейтронной звезды или черной дыры. Отсутствие регулярных пульсаций излучения, а также некоторые спектральные особенности могут дать косвенные аргументы в пользу черной дыры, окончательный вывод делается по измерению массы. Для нейтронных звезд существует верхний предел массы (предел Оппенгеймера – Волкова), который составляет примерно 2–3 массы Солнца. Если наблюдения показывают, что масса компактного объекта превосходит три солнечных, то он становится хорошим кандидатом в черные дыры (типичные измеренные массы черных дыр в двойных системах составляют 5–10 солнечных).

Внутренняя точка Лагранжа – место соединения полостей Роша в двойной системе.

Первый хороший кандидат в черные дыры был открыт в начале 1970-х гг. Это рентгеновская двойная система Лебедь Х-1, в которой спутником компактного объекта является яркая звезда-гигант. Оценки массы компактного объекта показали, что она, вероятнее всего, превосходит три солнечных. Сейчас известно несколько десятков кандидатов в черные дыры в рентгеновских двойных системах, в большинстве из них спутником компактного объекта является маломассивная нормальная звезда. Значительную часть времени такие системы проводят в так называемом спокойном состоянии, когда рентгеновская светимость становится крайне низкой. Это свойство является косвенным аргументом в пользу гипотезы о черной дыре, поскольку в системах с нейтронными звездами энерговыделение не падает до таких низких уровней.

Модель дисковой аккреции была создана в работах Николая Шакуры, Рашида Сюняева, Игоря Новикова и Кипа Торна в начале 1970-х гг.

Формально существование черных дыр остается гипотезой. Доказать отсутствие поверхности и наличие горизонта у астрофизического объекта – сложная задача. Однако существует ряд хороших косвенных аргументов в пользу черных дыр. Один из них связан с отсутствием феномена рентгеновских барстеров в системах с кандидатами в черные дыры: накапливание гелия на поверхности аккрецирующей нейтронной звезды приводит к термоядерному взрыву, наблюдаемому как мощная рентгеновская вспышка, а в аналогичных системах с кандидатами в черные дыры такие вспышки не наблюдаются. Самое простое объяснение состоит в том, что накапливания вещества не происходит из-за отсутствия поверхности. К сожалению, это лишь косвенный аргумент, и он не может служить окончательным доказательством существования черных дыр.

В настоящее время наиболее надежными свидетельствами в пользу существования черных дыр являются наблюдения гравитационно-волновых всплесков. Первое такое событие было зарегистрировано установками LIGO в сентябре 2015 г., когда наблюдалось слияние двух компактных объектов с массами около 35 и 30 масс Солнца. Весь комплекс наблюдательных данных прекрасно объясняется в рамках модели слияния двух черных дыр.

7.3. Сверхмассивные черные дыры

Известные нам сверхмассивные черные дыры располагаются в центрах галактик. В основном речь идет о галактиках, обладающих выраженной сферической составляющей – так называемым балджем (см. раздел 10.3 «Сверхмассивные черные дыры и активные ядра»). Поэтому, скажем, небольшие иррегулярные галактики, а также дисковые галактики без балджа, по всей видимости, не содержат сверхмассивных черных дыр. Обычно чем больше масса балджа, тем больше масса черной дыры, хотя есть много примеров отклонений от этой простой зависимости.