Аккреция на одиночные компактные объекты

Как мы наблюдаем нейтронные звезды? Во‑первых, мы можем видеть молодые нейтронные звезды из‑за того, что они еще очень активные: они проявляют себя как радиопульсары, магнитары, еще какие‑то интересные объекты. Одиночные черные дыры звездных масс не проявляют себя никак: не вспыхивают сами по себе и т. д. Увидеть одиночную черную дыру или старую нейтронную звезду довольно сложно, но есть один хороший способ. Нейтронные звезды и черные дыры – это очень компактные объекты, т. е. в них большая масса занимает очень маленький объем. С точки зрения гравитационного потенциала это очень глубокая яма. Если вы кидаете что‑то на нейтронную звезду или черную дыру, то это тело достигает поверхности или горизонта (в случае черной дыры) с огромной – околосветовой (или световой, если речь о черных дырах) – скоростью. Если вещества течет много, то оно будет взаимодействовать само с собой. Например, мы запустили поток газа (в космосе в основном имеется именно газ) на компактный объект. В этом веществе имеется какое‑то трение, поэтому потоки газа начинают тереться друг о друга и разогреваются до очень больших температур. Большие – это миллионы градусов. В результате мы видим яркие рентгеновские источники, если есть, чему течь.

Что же в космосе может течь на нейтронные звезды и черные дыры? Снова вспомним об обычных звездах – бóльшая часть звезд, особенно массивных, рождаются парами. Понять это достаточно просто. Вначале у нас было облако газа и пыли, из которого потом образуются звезды. Облако сжимается. Вначале оно немножечко крутилось. Сжимаясь, оно вращается все быстрее и быстрее, и в конце концов сжатие может полностью прекратиться из‑за того, что принято называть центробежной силой.

Чтобы обойти этот барьер, природа придумала вот что. Облако делится на два куска, и теперь каждый кусок сам по себе крутится медленно. Но они быстро вращаются друг вокруг друга (т. е. вокруг общего центра масс), и, соответственно каждый из двух кусочков может продолжить сжиматься. В конце концов формируется двойная звезда. Если хотя бы одна из звезд достаточно массивна, то в финале эволюции получается нейтронная звезда или черная дыра в двойной системе. Если у компактного объекта есть звезда‑соседка, значит, рядом есть много вещества, есть чему и откуда течь. Соответственно, заметная часть нейтронных звезд и черных дыр, которые мы видим, – это объекты в двойных системах, на которые течет вещество с соседней звезды, – идет аккреция. Но таких пар все‑таки мало, если сравнивать с миллиардом объектов. Мало их по нескольким причинам.

Две звезды удерживаются в двойной системе благодаря гравитации. Если полная масса системы резко уменьшится более чем в два раза, то двойная распадется, как если бы порвалась веревка на этом рисунке.

Во‑первых, не все объекты образуются в двойных системах, а во‑вторых, есть несколько способов разрушить звездную пару. Двойные системы устойчивы, потому что два объекта притягиваются друг к другу. Существует как бы веревка такая – гравитация, – связывающая два объекта, вращающихся вокруг общего центра масс. Крутятся – значит стремятся улететь. Здесь обычно вспоминается Том Сойер, крутящий дохлую крысу на веревочке. Если веревка порвется, то крыса, естественно, улетит. Хотя если бы крыса весила столько же, сколько Том Сойер, то они бы разлетелись в разные стороны. Как порвать гравитационную веревочку? Нужно резко уменьшить массу одной из звезд. И есть прекрасный способ быстро уменьшить массу звезды – это взрыв сверхновой. Вспоминаем, что взрываются массивные звезды, которые были в 10–20–30 раз тяжелее Солнца. А остается после взрыва, к примеру, нейтронная звезда. Масса у нее чуть больше одной масса Солнца, может быть, полторы‑две. То есть бóльшая часть вещества улетела, и, значит, теперь вторую звезду притягивает не 30 масс Солнца, а всего лишь одна‑две массы Солнца. Гравитационная веревочка порвалась, и система распалась.

Таким образом, большая часть нейтронных звезд и черных дыр оказывается одиночными объектами, и тогда нечему течь на них. Возникает важный вопрос: как же увидеть старые нейтронные звезды (как молодые – радиопульсары, магнитары и т. д. – мы знаем)? Как увидеть старые нейтронные звезды, если они одиночные? Или одиночные черные дыры? С одной стороны, кажется, что миссия невыполнима в принципе. Однако детальное рассмотрение покажет нам, что задача эта очень непростая, а потому до конца не решена до сих пор, но принципиально препятствия преодолимы.

Космос на самом деле не пустой. В космосе есть газ и пыль. В конце концов, сами звезды, из которых потом образуются нейтронные звезды и черные дыры, формируются в результате сжатия облаков межзвездного газа и пыли. И, кстати, если вы построите звездолет, чтобы летать между звездами, то эта среда, которая заполняет пространство между ними, станет для вас большой проблемой. С одной стороны, есть красивые проекты, которые очень любят в фантастике: вы можете использовать как топливо тот самый водород, который заполняет межзвездное пространство. А с другой стороны, представьте, что вы летите с околосветовой скоростью (иначе путешествие между звездами неинтересно). Летите, и пусть вещества на вашем пути очень мало, но с вашей точки зрения каждый атом водорода в межзвездной среде влетает вам в лоб (точнее, в лоб вашему кораблю) со скоростью близкой к скорости света. Тогда возникает много всего нехорошего: от банального «все будет разогреваться» до возникновения радиоактивности, так что технически это серьезная проблема для межзвездных перелетов.

Межзвездные газ и пыль были окончательно открыты лишь в начале XX века. Важную роль здесь сыграли работы Иоганна Гартмана. Межзвездная среда заметно проявляет себя, поглощая свет звезд и делая его более красным. Провалы в Млечном Пути, темные полосы и волокна на фотографиях многих дисковых галактик – все это межзвездная пыль. Красивые туманности – например, облака на снимках Космического телескопа – все это межзвездный газ.

Таким образом, какое‑то количество вещества в космосе все‑таки есть. И одиночные нейтронные звезды, и черные дыры могут начать притягивать, натягивать на себя это вещество. В астрофизике это называется аккреция – вещество гравитационно притягивается в данном случае к компактному объекту. И тогда у нас возникает ситуация, примерно как в двойной системе, только вещества меньше. Каждый грамм, который упал на нейтронную звезду, выделяет примерно 1020 эрг энергии. Это очень много – 10 % от mc 2. То есть это бóльшая доля, чем, например, выделяется при термоядерном взрыве. Так что аккреция – очень эффективный способ выделения энергии. Хотя и очень простой.

Аккрецию на одиночные нейтронные звезды и черные дыры активно обсуждали в начале 70‑х годов прошлого века. У нас в стране первопроходцем в этой области был Викторий Шварцман. Это такая драматическая история, что о ней следовало бы снять художественный фильм. В 1970–1971 годы он опубликовал серию работ по аккреции на нейтронные звезды и черные дыры, которые актуальны до сих пор. Однако, к великому сожалению, все попытки обнаружить такие источники ни к чему не привели, хотя сам Шварцман приложил к этому большие усилия и даже переквалифицировался из теоретика в наблюдатели, создав научную группу в Специальной астрофизической обсерватории на Кавказе. Одиночные аккрецирующие компактные объекты не открыты по сей день.

Если найти хотя бы 100 миллиардов грамм в секунду (при таком темпе масса Солнца наберется аж за миллион миллиардов лет, т. е. по астрономическим меркам надо очень мало вещества), то можно получить достаточно заметный источник. Тем не менее аккрецирующие одиночные нейтронные звезды или черные дыры пока не открыты. Это важная задача для (надеюсь) ближайшего будущего. Следующий серьезный российский космический проект в области астрофизики – это спутник «Спектр‑Рентген‑Гамма». С помощью немецкого телескопа eROSITA он будет делать обзор всего неба в рентгеновских лучах, и есть надежда, что он сможет начать открывать одиночные аккрецирующие нейтронные звезды.

С черными дырами все немножко сложнее: у них нет поверхности, и поэтому очень яркий объект не получится – нет удара о поверхность. Однако вещество, падая на черную дыру, может закручиваться в диск, и можно надеяться увидеть излучение этого диска. Для этого также нужно делать обзор неба, но, скорее всего, не в рентгеновских лучах, а в инфракрасных. Или даже в радио! Есть работы, авторы которых показывают, что будущие крупные обзорные радиотелескопы (в первую очередь SKA) смогут выявить одиночные аккрецирующие компактные объекты. Надежды связаны с тем, что у их родственников – аккрецирующих черных дыр в двойных системах – наблюдают радиоизлучение. Если физика аккреции в обоих случаях достаточно схожа, то чувствительные приборы смогут засечь радиоволны и от одиночных.

Итак, может быть, какие‑то из будущих проектов помогут обнаружить одиночные нейтронные звезды и черные дыры, наблюдая аккрецию на эти компактные объекты. Тем не менее уже сейчас мы можем говорить о том, что практически неуловимые одиночные черные дыры все‑таки обнаружены.