В поисках «черных дыр»

Об этом узнали сравнительно недавно, каких-нибудь двадцать лет назад. Оказалось, что если бы наши глаза могли видеть только рентгеновское излучение, то звездное небо над нами выглядело бы совсем иначе. Правда, рентгеновские лучи, испускаемые Солнцем, удалось обнаружить еще до рождения космонавтики, но о других источниках в звездном небе и не подозревали. На них наткнулись случайно.

В 1962 году американцы, решив проверить, не исходит ли от поверхности Луны рентгеновское излучение, запустили ракету, снабженную специальной аппаратурой. Вот тогда-то, обрабатывая результаты наблюдений, радиоастроном Джиаккони убедился, что приборы отметили мощный источник рентгеновского излучения. Он располагался в созвездии Скорпион. Ему дали обозначение Х-1 (икс-один). С помощью высотных ракет на карту звездного неба вскоре нанесли более 30 рентгеновских источников.

Несмотря на первые успехи, подобные наблюдения не устраивали ученых: слишком они были кратковре-менны - всего несколько минут. А ведь над планетой уже вовсю кружили спутники, способные выносить в космос рентгеновскую аппаратуру на месяцы и юды. Они-то и стали технической базой нового направления в изучении неба - рентгеновской астрономии. В начале 70-х годов на орбиту вышли первые два спутника, предназначенных для поиска исследований источников рентгеновских лучей во вселенной, - американский «Ухуру» и советский «Космос-428».

К тому времени кое-что уже начало проясняться. Объекты, испускающие рентгеновские лучи, сумели связать с еле видимыми звездами, обладающими необычными свойствами. Это были компактные сгустки плазмы ничтожных, конечно по космическим меркам, размеров и масс, раскаленные до нескольких десятков миллионов градусов. При весьма скромной наружности эти объекты обладали колоссальной мощностью рентгеновского излучения, в несколько тысяч раз превышающей полную светимость Солнца.

Сама плазма, даже нагретая до столь высоких температур, не может долго давать такое интенсивное излучение. Всей ее тепловой энергии хватило бы лишь на Доли секунды. А наиболее известные рентгеновские

источники наблюдаются уже по нескольку лет, и все это время работают не иссякая. Значит, внутри плазменного сгустка есть еще что-то, какой-то невидимый генератор, постоянно питающий его своей энергией.

«На какой-то миг создалось впечатление, что таинственные нейтронные звезды - гордость теоретической мысли XX века - наконец-то обнаружены. Увы, природа и на этот раз оказалась намного сложнее и богаче», - писал известный астрофизик И. Шкловский.

Действительно, давно предсказанные нейтронные звезды искали уже не первый год. Эти крохотные, диаметром около десяти километров, останки полностью выгоревших звезд, сжавшиеся до чудовищной плотности, должны были хоть как-то заявить о себе. Этого с нетерпением ждали. Поэтому так охотно в рентгеновских источниках «узнавали» нейтронные звезды. И ведь, казалось бы, все сходилось. Но расчеты опровергли надежды: только что образовавшиеся нейтронные звезды должны были бы сразу остыть и перестать излучать. А эти лучились рентгеном. Снова, подобно сказочной Синей птице, нейтронные звезды, что называется, выскользнули из рук ученых. Рентгеновские источники по-прежнему оставались вещью в себе. Острая нужда в новых фактах становилась все более очевидной. И ждали их прежде всего из космоса.

Приборы «Ухуру» и «Космоса-428» работали в различных диапазонах длин волн. Американский аппарат предназначался для поисков «мягкого» рентгена, советский - «жесткого». Спутники неплохо дополняли друг друга. После полета «Ухуру» число известных рентгеновских источников перевалило за сотню. Но главное было не в этом. Исследователи обнаружили строго периодические изменения потоков излучения некоторых из них. Был определен и период этих вариаций - обычно он не превышал нескольких суток.

Нечто подобное было знакомо астрономам. Так могли вести себя лишь две вращающиеся вокруг общего центра звезды, из которых одна периодически затмевала другую. Во время заходов рентгеновский поток ослаблялся, а затем восстанавливался до прежнего уровня. Новые наблюдения подтвердили гипотезу. Несколько источников совпало с наблюдаемыми в телескопы двойными звездами. Теперь уже можно было не только уточнить их массу и размеры, но и попробовать разобраться в их природе.

А с орбит приходили все более удивительные новости. Были обнаружены рентгеновские пульсары. К этому термину тогда еще не успели привыкнуть. Пульсарами назвали только что открытые удивительные источники радиоизлучения, регулярно испускающие очень короткие импульсы. Ко времени открытия их рентгеновских двойников уже было доказано, что именно радиопульсары - это и есть «живые» нейтронные звезды, предсказанные теоретически. Ясны были и причины особого характера их излучения: равномерно вращаясь с огромной скоростью, звезда при каждом обороте как бы «освещает» Землю своими радиолучами. И вот теперь - пульсары рентгеновские! К тому же оказалось, что и некоторые, так сказать, «настоящие» пульсары большую часть энергии излучают все же не в радио-, а именно в рентгеновском диапазоне. Просто раньше этого не замечали.

Откуда же черпают рентгеновские источники колоссальную энергию излучения? Основным условием превращения нормальной звезды в нейтронную считается полное затухание в ней ядерной реакции. Поэтому ядерная энергия исключается. Тогда, может быть, это кинетическая энергия быстро вращающегося массивного тела? Действительно, она у нейтронных звезд велика. Но и ее хватает лишь ненадолго.

Большинство нейтронных звезд существует не пооди~ ночке, а в паре с огромной, различимой в телескоп звездой. В их взаимодействии, как полагают теоретики, н скрыт источник могучей силы космического рентгена. Звездный дуэт связан не только невидимыми узами. С поверхности оптической звезды к ее небольшой, но массивной и сверхплотной соседке, обладающей к тому же сильным магнитным полем, постоянно тянется струя газа. Она образует вокруг нейтронной звезды плоский газовый диск. У магнитных полюсов нейтронного шара вещество диска выпадает на его поверхность, а приобретенная при этом газом энергия превращается в рентгеновское излучение. Учитывая огромную силу притяжения нейтронной звезды, а следовательно, и скорость падающего на нее вещества, нетрудно представить, какая колоссальная энергия при этом выделяется. Предложенный механизм, называемый аккрецией, хорошо объяснил многие особенности рентгеновских источников.

Теория компактных рентгеновских источников в двойных системах получила экспериментальное подтверждение. С борта спутника «Коперник» удалось проследить за выходом рентгеновского пульсара в созвездии Геркулеса из полосы затемнения его оптической звездой. Все событие длилось несколько десятков секунд. Так быстро вынырнуть из тени мог только объект, размеры которого не превышают пять тысяч километров. Объем окружающего нейтронную звезду газового диска неплохо соответствует этой величине.

Свой сюрприз преподнес и «Космос-428». Его аппаратура не только обнаружила в небе новые источники невидимого глазом излучения, но и открыла совсем неизвестное ранее явление - рентгеновские вспышки. «Космос-428» засек их сразу же, в первый день работы на орбите. Всего за полдня он зарегистрировал около двадцати всплесков, каждый из которых длился не более секунды, а мощность излучения при этом возрастала в десятки раз. Так вслед за квазарами, пульсарами, космическими мазерами и прочими астрономическими новинками в небесных каталогах появились бастеры - источники рентгеновских вспышек.

Их тоже ученые связывают с двойными системами. На одной из двух звезд - оптической - время от времени могут происходить взрывы, аналогичные солнечным вспышкам и сопровождаемые выбросами больших масс вещества. При этом продукты взрыва падают на поверхность звезды-соседки и вызывают всплески рентгеновского излучения.

Правда, самые мощные вспышки трудно было объяснить таким образом. Слишком велика выстреливаемая из них энергия. Она лишь в несколько тысяч раз уступает полному излучению сотен миллиардов звезд, из которых состоит наша Галактика. Вот почему в местах возникновения таких вспышек принялись искать новые необычные объекты. Поиски эти вновь привели исследователей к нейтронным звездам. Однако нельзя бйдо сбрасывать со счетов и других потенциальных кандидатов.

...В ясную ночь в созвездии Геркулеса можно увидеть в бинокль крохотное туманное пятнышко. Сильный телескоп совершенно меняет картину: это уже не одна мерцающая точка, а целое их скопление. Как будто вспыхнул фейерверк, рассыпался искрами и вдруг почему-то остановился, застыл и неподвижно повис в пространстве.

В этом необычном рое собраны сотни тысяч звезд, из которых мы видим лишь самые яркие. Сгущаясь к центру шара, они сливаются воедино, испуская сплошное сияние. Таких шаровых скоплений в галактике насчитывается немногим более двухсот. Примерно столько же, сколько открыто и рентгеновских источников. Случайное ли совпадение? А не из этих ли шаровых скоплений доносятся к нам отголоски рентгеновских бурь?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было сравнивать местоположение звездных «фейерверков» и источников вспышек. Определение небесных координат замеченных со' спутников объектов потребовало долгих и кропотливых расчетов. Но зато теперь тождество некоторых галактических рентгеновских источников с шаровыми звездными скоплениями не вызывает сомнений.

Интересно, что наиболее мощные вспышки наблюдаются именно в шаровых скоплениях. Колоссальные масштабы звездной активности уже никого не удивляют. И все же существует предел энергии, непрерывно излучая которую звезды еще остаются самими собой. Считалось, что за этой гранью звезду ждет гибель. Так вот, светимость рентгеновских вспышек в шаровых скоплениях в десятки, а иногда и в сотни раз превышает этот предел!

Излучаемая звездой энергия обычно тесно связана с ее массой. Генерировать рентгеновские всплески такой мощности, какие наблюдаются в скоплениях, могут только объекты огромной массы, в десятки и сотни раз превышающей солнечную. Как тут было не вспомнить о «черных дырах»?

Теоретики подсказали: «черные дыры», входящие в состав двойных звездных систем, могут сигнализировать о себе рентгеновским излучением. И причина его возникновения должна быть та же - аккреция газа. Правда, механизм в этом случае несколько другой. Оседающие в «дыру» внутренние части газового диска должны нагреться и потому стать источниками рентгена.

Рентгеновскую активность шаровых скоплений пытались объяснить наличием в них двойных систем с «обычными» нейтронными звездами, или «черными дырами». Однако слишком большая энергия возникающих там вспышек породила и другие гипотезы. Одну из них, весьма оригинальную, предложили американские астрофизики.

Переходом в нейтронную звезду заканчивают «жизнь» лишь те светила, масса которых не превышает двух с половиной - трех солнечных. Более крупные звезды чаще всего постигает участь «черной дыры». По мнению авторов гипотезы, наиболее «густые» - центральные - части некоторых шаровых скоплений тоже могут превращаться в сверхтяжелые «черные дыры». Их масса уже в сотни, а то и в тысячу раз превышает солнечную. Естественно, для рождения гигантских вспышек в них должно падать немыслимо огромное количество газа. Ну и что же? Ведь все скопления буквально купаются в межзвездном газе! Конечно, это не то, что «густая» струя в двойной системе, но зато и запасы межзвездного газа практически неограниченны. В его аккреции на сверхмассивные «черные дыры» и видят многие ученые причину грандиозных всплесков.

Здесь уместно вспомнить о сделанном еще раньше, в 1972 году, предположении И. Шкловского о том, что «в процессе эволюции звезд выброшенный ими газ должен стекать в самые центральные области сфероидальных галактик». Этот процесс, по мнению ученого, и приводит в конечном итоге к образованию в таких галак тиках сверхмассивных «черных дыр».

Проанализировав 80 известных шаровых скоплений, американские ученые выделили из них 11 наиболее подозрительных. Оказалось, что в некоторых из этих скоплений «Космос-428» действительно зарегистрировал мощные рентгеновские всплески. Похоже, что сверхмассивные «черные дыры» и вправду существуют не только на кончике пера теоретиков.

В великом множестве рассыпанных по небу звезд есть звезды рождающиеся и умирающие. Рентгеновская астрономия поведала нам о последнем, может быть, самом бурном, этапе их развития. Благодаря ей мы узнали о мощнейших космических взрывах, о газе с температурой в десятки и сотни миллионов градусов, о возможности совершенно необычного сверхплотного состояния вещества в «черных дырах».

Рентгеновская астрономия, рожденная космическим веком, переживает свое детство. Но именно в этой области приоткрываются тайны фундаментальных краеугольных истин мироздания. А это не только абстрактные понятия. Проникая в глубины вселенной, в мир далеких звезд, человек получает новые знания. И многие открытия нередко находят свое продолжение в лабораториях, становятся источником новых прикладных разработок.