2 Образование черных дыр. 1. 2 Свойства черных дыр по теории Эйнштейна
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
1.2 Свойства черных дыр по теории Эйнштейна В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации - Эйнштейна - свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них: 1) Вблизи чёрной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры горящий фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к горизонту событий, начнёт замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть, так как замедлится скорость колебания всех его атомов и молекул. С точки зрения далёкого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность чёрной дыры. 2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в чёрную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №1(40) 2020 Alley-science.ru остальные особенности тела (форма, химический состав и т.д.) в ходе коллапса «стираются». 3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений. 4) Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени». Чёрные дыры - удивительные объекты нашей вселенной. Предполагается, что во всей вселенной существуют миллионы черных дыр, причем почти в центре каждой галактики есть своя черная дыра, из которой в некоторых случаях выходят джеты, снабжающие прилегающие области тяжелыми элементами, необходимыми для формирования солнечных систем и планет. 2 Образование черных дыр 2.1 СЦЕНАРИИ ОБРАЗОВАНИЯ ДВОЙНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР К настоящему времени рассматриваются четыре основные сценарии образования тесных двойных массивных ЧД. 1. Сценарий образования двойных ЧД из первичных ЧД, сформировавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной [8]. В этом сценарии могут возникать двойные ЧД практически любых масс (в том числе, ЧД с массами в десятки и сотни солнечных, а также двойные сверхмассивные ЧД). 821 822 ТУТУКОВ, ЧЕРЕПАЩУК Основанием для рассмотрения такого сценария, помимо глубоких теоретических соображений, является тот важный наблюдательный факт, что ЧД в трех двойных системах, открытые обсерваторией LIGO (GW150914, GW151226, LVT151012), имеют сравнительно малый угловой момент. Естественно предположить, что ЧД, сформировавшиеся из массивных ТДС в рамках классического сценария формирования двойных ЧД, должны иметь значительный угловой момент. Он формируется из орбитального углового момента системы, если не привлекать гипотезу начального “толчка” при формировании ЧД, вызванного асимметрией взрыва сверхновой или анизотропией вылета нейтрино из-за взаимодействия магнитного момента нейтрино с сильным и неоднородным магнитным полем коллапсирующего ядра звезды. Кроме того, в этой модели векторы моментов вращения черных дыр могут быть ориентированы произвольным образом и испытывать прецессию Ленса–Тирринга, которая может наблюдаться в соответствующем гравитационно-волновом сигнале [9]. 2. Сценарий динамического формирования массивных ТДС из иерархических тройных систем [10], образующихся в результате коллективных взаимодействий звезд в плотных звездных скоплениях с последующим действием механизма Лидова– Козаи. В этом сценарии, если в иерархической тройной системе плоскость орбиты удаленного третьего компонента наклонена к плоскости орбиты внутренней ТДС на значительный угол (более ∼39◦), возникают “циклы Лидова–Козаи”, в которых внутренняя орбита ТДС приобретает значительный эксцентриситет при почти неизменном периоде и большой полуоси этой орбиты. При прохождении звездой вблизи периастра сгенерированной эллиптической орбиты происходит вековое уменьшение размеров орбиты внутренней двойной системы за счет увеличения приливной диссипации энергии орбитального движения, что может привести к тесному сближению и слиянию компонентов внутренней ТДС. Предсказанная частота слияния ЧД под действием этого механизма для обсерватории LIGO составляет ∼1 событие в год [10], что заметно меньше, чем соответствующая величина, оцененная на основе наблюдательных данных, полученных обсерваторией LIGO [1, 2] (10–240 Гпк−3 год−1). 3. Сценарий химически однородной эволюции в приливно деформированных ТДС [11, 12]. В массивных почти контактных ТДС может реализоваться эффективное перемешивание вещества звезды, обусловленное меридиональной циркуляцией. Гелий, произведенный в центре звезды в результате термоядерных реакций, выносится в оболочку звезды и смешивается с веществом оболочки. Радиус такой звезды с почти однородным (гелиевым) химическим составом, в отличие от обычных химически неоднородных звезд, практически не увеличивается в процессе ядерной эволюции [4]. В работе [12] рассчитана эволюция таких тесных двойных химически однородных звезд и дано предсказание частоты слияния соответствующих двойных ЧД: ∼500 событий в год для наблюдений на продвинутых наземных гравитационноволновых детекторах, оперирующих на максимально достижимой чувствительности. Авторы [12] учитывают возможность того, что наиболее массивные гелиевые звезды могут взрываться как сверхновые без образования гравитационно связанного остатка из-за неустойчивости, связанной с формированием электрон-позитронных пар [13], и ограничиваются массами гелиевых звезд, не превышающими 63M. Кроме того, авторы [12] предполагают малую металличность вещества этих звезд (z 0.004), чтобы уменьшить влияние звездного ветра на уменьшение массы звезд в ходе эволюции. В сценарии [12] предполагается, что осевые скорости вращения звезд синхронизованы с их орбитальным обращением, т.е. звезды (и, как можно предполагать, результирующие ЧД) быстро вращаются. Например, орбитальный период в затменной двойной системе (WN6h + WN6a), содержащей очень массивные звезды (m1 = 83M, m2 = = 82M), равен 3.69 сут, и на кривой блеска наблюдается сильный эффект эллипсоидальности, то есть период осевого вращения этих звезд совпадает с орбитальным. Кроме того, ввиду больших скоростей орбитального обращения компонентов ТДС можно пренебречь влиянием возможного “толчка” при образовании ЧД. Однако, как отмечалось выше, гравитационно-волновые наблюдения на обсерватории LIGO показывают, что ЧД в трех открытых системах двойных ЧД вращаются медленно: суммарный безразмерный угловой момент результирующей ЧД, сформировавшейся при слиянии двух ЧД, существенно меньше единицы (лежит в интервале 0.6–0.8), что может быть объяснено нейтринным толчком в неоднородном магнитном поле. 4. Классический сценарий эволюции изолированной массивной ТДС [4, 14, 6]. На базе этого сценария развит метод популяционного синтеза для ТДС [15]. В работе [7] на основе эволюционных расчетов в рамках Машины сценариев [15] было теоретически предсказано, что первыми на обсерватории LIGO должны быть открыты не сливающиеся нейтронные звезды (НЗ), а ЧД, что подтвердилось открытием трех гравитационноволновых двойных систем GW150914, GW151226, LVT151012 [1,2,9]. В работах [16, 17] с использованием программы популяционного синтеза ТДС [15,18] рассчитаны эволюционные сценарии для АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 94 № 10 2017 ОБРАЗОВАНИЕ ТЕСНЫХ ДВОЙНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР 823 массивных ТДС вплоть до самых поздних стадий эволюции, на которых образуются ЧД. Показано, что рентгеновская двойная система M33X7 заканчивает эволюцию формированием объекта Торна-Житков [16], и ЧД массой 15.8M падает по спирали в центр обычной звезды массой ∼40M. В конце эволюции объекта Торна-Житков образуется массивная одиночная ЧД массой 55.2M. При спиральном падении ЧД в центр обычной массивной звезды может формироваться мощный всплеск гравитационно-волнового излучения [19]. В работах [16,17] рассчитаны также случаи, когда образуются две сливающиеся ЧД с массами 26.1M и 14.2M (соответствует рентгеновской двойной системе IC10X-1 [16]) и 14M и 7M (соответствует рентгеновской двойной системе Cyg X-3 [17]). По массам ЧД оба эти случая соответствуют гравитационно-волновым двойным системам LVT151012 (23M + 13M) и GW151226 (14.2M + 7.5M). В расчетах [16,17] предполагался слабый звездный ветер на стадии главной последовательности, соответствующий низкой исходной металличности звездного вещества компонентов. Свободным параметром было значение доли массы предсверхновой (типа Ib/c), попадающей под горизонт событий в процессе формирования ЧД. Эта доля массы оказалась равной ∼50%, что согласуется с оценками, полученными на основе расчета эволюции массивных звезд [4]. Система из двух сливающихся ЧД с массами, соответствующими гравитационно-волновой двойной системе GW150914 (36M + 29M), рассчитана в недавней работе [20], в которой применен усовершенствованный метод популяционного синтеза для ТДС [21]. В этой же работе предсказана частота наблюдаемых слияний двойных ЧД с суммарными массами 20–80M для продвинутых наземных гравитационно-волновых обсерваторий, достигших предельной чувствительности: 1000 слияний в год. Авторы [20] предполагают, что после потери водородной оболочки массивной звездой из-за обмена масс в ТДС сформировавшаяся гелиевая звезда WR полностью коллапсирует в ЧД без сброса оболочки (реализуется “тихий” коллапс). При этом также предполагается низкая металличность вещества звезд (∼0.03Z), обеспечивающая слабый звездный ветер. Исходные массы компонентов 96.2M и 60.2M, начальная большая полуось орбиты 2463R; вторичный обмен масс происходит на стадии с общей оболочкой. Массы сформировавшихся ЧД составляют 36.5M и 30.8M, большая полуось соответствующей орбиты 47.8R. Через 10.294 × 109 лет изза потерь энергии на гравитационное излучение обе ЧД сливаются и генерируют гравитационноволновой всплеск, по структуре похожий на событие GW150914. Столь длительное время эволюции двух образовавшихся ЧД до момента слияния позволяет отнести соответствующую массивную звездную ТДС (предшественника ЧД) на очень раннюю эпоху формирования ТДС. В то время возраст Вселенной был около 2 млрд. лет, и металличность звездного вещества, как можно предполагать, была относительно низкой и еще не достигла солнечного значения. Имеются наблюдательные свидетельства того, что ЧД в ряде рентгеновских двойных систем (GROJ1655-40, SAXJ1819.3-2525, XTEJ1118+ +480) образовались в результате “громкого” коллапса со сбросом оболочки соответствующей сверхновой [22, 23], поэтому предположение о “тихом” коллапсе гелиевых звезд, сделанное в работе [20], вообще говоря, не является бесспорным. Например, в рентгеновской двойной системе с ЧД GROJ1655-40 наблюдается высокая пекулярная лучевая скорость центра масс Vpec = (−114 ± 19) км/с [24]. Также в спектре маломассивной оптической звезды обнаружено повышенное содержание О, Si, Mg, по-видимому, сформированных в α-реакциях в недрах массивной звезды-предшественника ЧД. Это является свидетельством взрыва сверхновой, сопровождающего образование ЧД. Этот взрыв привел к сбросу оболочки предсверхновой, заметному обогащению атмосферы маломассивной оптической звезды αэлементами и к формированию высокой пекулярной скорости центра масс двойной системы GROJ1655-40 [22, 24]. У рентгеновской двойной с ЧД SAXJ1819.3-2525 также отмечается избыточное содержание α-элементов в спектре спутника — маломассивной оптической звезды, — свидетельствующее о взрыве сверхновой. У системы XTEJ1118+480 наблюдаются очень большая высота над галактической плоскостью Z = 1.7 кпк [25] и большая пекулярная пространственная скорость центра масс ∼145 км/с [26], что также может указывать на произошедший в системе взрыв сверхновой, который сообщил высокую начальную пространственную скорость центру масс двойной системы Vнач = (217 ± 8) км/с [26]. Правда, авторы [20] отмечают, что гипотеза о “тихом” коллапсе применяется ими лишь для наиболее массивных гелиевых звезд. Надмассивные черные дыры (НМЧД) – это черные дыры с массой, которая составляет несколько миллионов или миллиардов масс Солнца. Астрофизические наблюдения показывают, что такие объекты существовали уже тогда, когда Вселенной было всего 820 миллионов лет. Команда ученых смогла связать быстрое образование НМЧД с коллапсом гало темной материи.  Релятивистский джет вырывается из центра галактики М87, где расположена сверхмассивная черная дыра. Физики удивляются, почему НМЧД в ранней Вселенной, расположенные в центральных областях гало темной материи, растут так сильно за короткое время. У физиков есть общие ожидания массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста, – делится мнениями один из авторов исследования Хай-Бо Ю, доцент физики и астрономии Университета Калифорнии в Риверсайде. Ученый добавляет, что существование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной говорит о том, что зародышевые черные дыры были либо более массивными, либо росли быстрее. Или одно и другое одновременно. Тогда возникает вопрос о том, какие физические механизмы действуют в таких процессах. В астрофизике популярным механизмом, используемым для объяснения образования НМЧД, является коллапс чистого газа в протогалактиках в ранней Вселенной. Но благодаря такому механизму все равно нельзя образовать сверхмассивную чёрную дыру. Поэтому физики предложили альтернативный вариант: ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зачаточную черную дыру. Частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи. Во время эволюции ореола действуют две конкурирующие силы – гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы черной материи вовнутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть двигаются быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой чёрной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной матери. Поэтому она может вырасти в НМЧД за относительно короткий период времени, – объясняет Хай-Бо Ю. |