Чтобы объяснить природу черной дыры, необходимо обратиться к анализу путей звездной эволюции. Звезда, подобная Солнцу, вначале сжимается, приближаясь к главной последовательности. После того как температура в ее ядре поднимается до достаточного уровня, начинаются ядерные процессы. Когда запасы ядерного «горючего» уменьшаются, звезда вздувается и становится красным гигантом, после чего сильно сжимается, превращаясь в белого карлика.
Более массивная звезда ведет себя иначе. Когда истощаются запасы ядерного «топлива», она взрывается как сверхновая и заканчивает свой яркий жизненный путь, превратившись в нейтронную звезду, или пульсар, в центре расширяющегося газового облака.
От белого карлика к черной дыре
В белом карлике атомы, так сказать, раздавлены, разрушены и так плотно упакованы, что свободного пространства между ними остается мало. А у нейтронной звезды гравитационное поле настолько сильно, что протоны и электроны вынуждены сливаться, образуя нейтроны; плотность вещества нейтронной звезды намного превосходит плотность белого карлика. Сейчас почти никто не сомневается в том, что источники космического радиоизлучения – «пульсары» действительно являются нейтронными звездами. Пульсар в Крабовидной туманности отождествлен с оптическим объектом, а в 1977 г. австралийские астрономы отождествили еще один пульсар – в созвездии Парусов – с исключительно слабым оптическим объектом звездной величины 26,5. При сжатии достаточно массивной звезды плотность ее вещества, пройдя через значения, соответствующие стадиям белого карлика и нейтронной звезды, будет продолжать увеличиваться, если в недрах звезды отсутствуют силы, противодействующие ее сжатию под действием гравитации. Звезда становится все меньше и плотнее и в итоге вступает в состояние гравитационного коллапса, когда уже ни один из известных нам физических процессов не способен остановить ее дальнейшее сжатие. Поле тяготения на поверхности тела при этом растет, и вскоре оно сжимается до критического радиуса («радиуса Шварцшильда»), при котором гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет не в состоянии его преодолеть. Это и есть черная дыра – область, проявляющая себя только как центр гравитационного притяжения.
В поисках черных дыр
Наиболее перспективны поиски черных дыр в двойных звездных системах. Поблизости от яркой желтой звезды Капеллы есть маленький треугольник из звезд, так называемые «Козлята». В вершине треугольника находится е Возничего, которую всегда хорошо видно невооруженным глазом, хотя яркой ее назвать и нельзя. В 1821 г. было обнаружено, что она переменна и меняет блеск в пределах 3,3 – 4,2 звездной величины. Позднее установили, что е Возничего — затменная двойная необычного типа: затмения происходят один раз в 27 лет и продолжаются более 700 суток.
Более яркий член этой пары — желтый сверхгигант очень высокой светимости, в 60000 раз мощнее Солнца. Слабый компонент, который вызывает затмения, никогда не наблюдался; он излучает только в инфракрасном диапазоне. До недавнего времени астрономы считали, что этот спутник должен быть большой холодной звездой, продолжающей сжиматься после конденсации из межзвездного вещества, и недостаточно горячей, чтобы светить за счет ядерных реакций. Теперь, однако, выдвигаются предположения, что инфракрасный компонент системы ɛ Возничего может быть черной дырой.
Этот компонент» по-видимому, имеет массу, равную 23 массам Солнца, – по звездным масштабам это много. При такой массе он должен был бы иметь высокую светимость, но это не так. По мнению американских астрономов А. Дж. У. Камерона и Р. Стотерса, это черная дыра, окруженная облаком твердых частиц, вращающихся по спирали вокруг критической поверхности – так называемого «горизонта событий» – и порождающих инфракрасное излучение, наблюдаемое на Земле. Со временем частицы пересекут горизонт событий и попадут в черную дыру, из которой нет возврата.
Рентгеновские источники
Еще одна вероятная черная дыра – спутник звезды – сверхгиганта в созвездии Лебедя, обозначаемой HDE 226868. Этот спутник – источник рентгеновских лучей; и выдвинуто предположение, что их излучает вещество, падающее на черную дыру и ускоряющееся при этом до исключительно высоких скоростей.
Рентгеновская астрономия возникла недавно (в 1960-х годах), поскольку для таких наблюдений оборудование необходимо поднимать за пределы поглощающих рентгеновское излучение «атмосферных слоев. С тех пор обнаружено множество рентгеновских источников, среди них – Крабовидная туманность. По-видимому, большинство галактических рентгеновских источников – члены двойных звездных систем, представляющие собой нейтронные звезды в парах со звездами-гигантами. Кроме того, существуют так называемые рентгеновские новые, которые вспыхивают, излучают свет в течение нескольких недель или месяцев, а затем ослабевают и исчезают.
Большинство известных рентгеновских источников – члены нашей Галактики и располагаются довольно близко от главной плоскости Млечного Пути, однако в рентгеновском диапазоне излучают и некоторые другие галактики. Среди них следует отметить массивную систему в созвездии Девы, М 87. Она является также источником радиоизлучения.
Развитие астрономии за последние несколько лет происходило поразительно быстро. В 1960 г. квазары и пульсары еще не были обнаружены, а черные дыры представляли только чисто теоретический интерес; рентгеновские исследования едва начинались, и даже радио-астрономия была примитивной по сравнению с современным уровнем.