В последние годы были опубликованы результаты новых наблюдений окрестностей двух близких к Земле сверхмассивных черных дыр, выполненных методами радиоастрономии и инфракрасной астрономии. Речь, во-первых, идет о черной дыре Стрелец А* с массой 4,3 миллиона солнечных масс, которая лежит в центре нашей Галактики приблизительно за 27 тысяч световых лет от Солнца. Во-вторых, это черная дыра в ядре гигантской эллиптической галактики М87, удаленной от Млечного Пути на 53,5 миллиона световых лет. Ее масса, по разным оценкам, в 4,5–6 миллиардов раз превышает солнечную. 22 марта в журнале Nature появился обзор этих результатов. Я постараюсь ознакомить читателей с основными выводами его авторов, профессора Гарвардского университета Рамеша Нарайана (Ramesh Narayan) и его коллеги из Департамента астрофизических наук Принстонского университета Элиота Кватерта (Eliot Quataert).
Аккреционные диски черных дыр
Во второй половине прошлого десятилетия весь мир не раз облетали сенсационные сообщения о детектировании волн тяготения, возникающих при сближении и слиянии черных дыр (а также в ходе аналогичных процессов с участием нейтронных звезд), о которых рассказывали и «Элементы» (см. Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016). Главным поставщиком этой информации были два лазерных интерферометра американской гравитационной обсерватории LIGO, расположенные в штатах Вашингтон и Луизиана. В ходе трех сеансов наблюдений, которые с перерывами проводились с сентября 2015 года по март 2020 года, они осуществили 90 регистраций гравитационных волн. После начала пандемии ковида работы на обсерватории были остановлены, однако их предполагается возобновить не позже мая нынешнего года. Тогда же должны начаться новые наблюдения на однотипных гравитационных обсерваториях Virgo и KAGRA, расположенных, соответственно, в Италии и Японии.
Столкновения черных дыр — это космические суперкатаклизмы, которые полностью разрушают не только сами дыры, но и их ближайшее окружение. Это окружение представляет один из интереснейших объектов современной астрофизики. Одиночная черная дыра любой массы может обладать звездами-сателлитами, которые движутся в ее гравитационном поле по условно замкнутым траекториям (полная замкнутость невозможна в силу динамики общей теории относительности). Наблюдения таких звездных свит в принципе позволяют получать информацию о самих черных дырах — особенно, если они не слишком удалены от Солнца (см. Скорость вращения черной дыры в центре Млечного Пути оценили по распределению орбит S-звезд, «Элементы», 22.10.2020).
Есть и другие возможности. Черные дыры как правило окружены аккреционными дисками различной плотности и массы. Такие диски состоят из газа и плазмы, чьи частицы вдали от дыры движутся по более или менее круговым орбитам. При этом они испытывают сложные взаимодействия как с соседними частицами, так и с магнитными полями, которые всегда присутствуют в ионизированной материи аккреционного диска. Эти взаимодействия создают эффект внутреннего трения, которое вынуждает вещество диска терять кинетическую энергию и угловой момент и сближаться с черной дырой. Частицы, которые достигают ее поверхности (точнее, горизонта событий), навсегда исчезают для внешнего мира. Их кинетическая (конкретно, ротационная) энергия частично уносится внутрь горизонта, а частично идет на увеличение температуры вещества диска. Для черных дыр, которые рождаются в итоге гравитационного коллапса массивных звезд, эта температура может доходить до 10 миллионов кельвин. В результате такие диски получают способность генерировать жесткое рентгеновское излучение. Аккреционные диски вокруг самых крупных черных дыр массой от ста тысяч до нескольких миллиардов (и в редких случаях даже десятков миллиардов) солнечных масс обычно не нагреваются выше ста тысяч кельвин и потому посылают в окружающее пространство оптическое и ультрафиолетовое излучение или очень мягкий рентген. Поскольку эти излучения имеют тепловую природу, их спектральные характеристики хорошо соответствуют классическому чернотельному спектру, который описывается известной формулой Планка.
Есть и другие механизмы генерации электромагнитных волн веществом, находящимся в окрестности черной дыры, которые не связаны или слабо связаны с процессами аккреции. Например, близкие к ней облака горячего ионизированного газа могут служить источниками сильного радиоизлучения. Кроме того, плазменное окружение черной дыры может светиться радиоволнами нетепловой природы, которые рождают вращающиеся в магнитных полях релятивистские заряженные частицы (это так называемое синхротронное излучение). Наконец, умеренно нагретые зоны диска проявляют себя инфракрасным излучением, которое может иметь куда более широкий спектр, нежели планковский. И это еще не полный список.
В общем, аккреционные диски черных дыр служат источником электромагнитных волн самых разных длин — от радио до рентгена. Эти диски также могут выбрасывать в пространство мощные плазменные струи, релятивистские джеты, которые служат источниками гамма-лучей и, по всей вероятности, нейтрино и космических лучей. Общая мощность этих излучений для слабовращающихся черных дыр может достигать десяти процентов энергии, которая, в силу знаменитой формулы Эйнштейна \(E=mc^2\), содержится в ежесекундно аккрецируемой массе материи, — это максимальная эффективность (или, если использовать инженерную аналогию) максимальный коэффициент полезного действия черной дыры как устройства по переработке вещества в излучение. Для черных дыр с очень большим угловым моментом этот показатель гораздо выше, он приближается к тридцати процентам. Все эти продукты жизнедеятельности черной дыры поддаются детектированию наземными и космическими телескопами, данные с которых поставляют богатейшую информацию о дырах и их окрестностях.
Конечно, характер излучения любого конкретного диска зависит от него самого. Принято считать, что Млечный Путь (как и другие крупные спиральные галактики) содержит десятки миллионов черных дыр звездной массы, однако лишь малая их часть ярко светится рентгеном. Если плотность газа и плазмы вблизи дыры окажется очень малой, то она практически не будет светить ни в каком диапазоне. Стоит отметить, что всего лишь около одного процента сверхмассивных черных дыр обладает выраженными газовыми или газопылевыми дисками, способными к аккреции и, тем самым, к активной светимости. Впрочем, в спящем состоянии нередко пребывают и дыры звездной массы. В частности, именно такова черная дыра Gaia BH2, об открытии которой сообщалось в конце марта (K. El-Badry et al., 2023. A red giant orbiting a black hole). При массе приблизительно в 9 солнечных она удалена от Земли всего на 3800 световых лет и потому вполне может считаться очень близкой соседкой Солнечной системы.
Наблюдения аккреционных дисков черных дыр представляют большой интерес не только для астрономии. Динамические процессы внутри дисков управляются законами специальной и общей теории относительности, релятивистской электродинамики, термодинамики и магнитной гидродинамики. Поэтому изучение окрестностей черных дыр сильно обогатило и продолжает обогащать фундаментальную физику.
Проблемы остаются
Сказанное выше может навести на мысль, что все механизмы генерации электромагнитных волн аккреционными дисками черных дыр давно и хорошо поняты и не нуждаются в серьезной коррекции. Однако это далеко не так, о чем у нас сейчас и пойдет речь.
Рассмотрим для начала светящийся астрономический объект любой природы, на который аккрецирует окружающее ионизированное вещество. Излучение этого объекта оказывает давление на падающие частицы. Этот эффект был предсказан в 1873 году Джеймсом Клерком Максвеллом на основе его теории электромагнетизма и впервые экспериментально подтвержден в 1907–10 годах профессором Императорского Московского университета Петром Николаевичем Лебедевым. В случае аккрецирующей плазмы свет рассеивается в основном на электронах (это так называемое томсоновское рассеяние), которые передают его давление протонам и другим массивным частицам. Если светимость объекта превысит определенное критическое значение, то давление света сделает полностью невозможным стабильную аккрецию. Этот вывод принадлежит знаменитому британскому астрофизикому Артуру Стенли Эддингтону, в честь которого и названа критическая светимость. На его основе он пришел к выводу, что масса звезды не может превышать сотни солнечных масс — иначе она будет разорвана давлением собственного света. Хотя, как оказалось со временем, эта оценка в разы занижает максимальную массу звезд-гигантов, по порядку величины она все же приблизительно верна.
Численное значение эддингтоновского предела дается простой формулой: 1038 эрг/сек, умноженные на массу центрального тела, измеренную в единицах солнечной массы. Первоначально выведенная для звезд, эта формула работает и для аккретирующих черных дыр. Светимость большинства квазаров обычно не превышает нескольких процентов от эддингтоновской, но в отдельных случаях может к ней приближаться.
Теперь мы подошли к самому интересному. В последние десятилетия прошлого века астрономы заподозрили, что стандартные модели аккреции плохо работают в тех случаях, когда светимость диска падает ниже одной сотой предела Эддингтона. В этом случае дыры звездной массы перестают излучать как абсолютно черные тела с температурой порядка 10 миллионов кельвин, как требуется по теории. Чернотельный характер спектра их излучения сохраняется, но его температура повышается на два порядка — приблизительно до миллиарда кельвин. Такую же тенденцию проявляют и сверхмассивные черные дыры. У них была замечена и другая аномалия — слишком низкая полная светимость, не соответствующая той массе дискового вещества, которая могла стать резервуаром аккреции. Например, яркость Стрельца А* очень мала, однако же температура его газового окружения может доходить до 1010 кельвин. Так что астрофизики встали перед серьезной проблемой: почему аккреционные диски целого ряда черных дыр различной массы нагреваются значительно сильнее «стандартных» дисков и при этом обладают меньшей (иногда сильно меньшей!) полной светимостью?
Путь к решению этой проблемы был намечен в создании альтернативного сценария аккреционных процессов, к котoрому приложил руку один из авторов обсуждаемой статьи в Nature Рамеш Нарайан (Ramesh Narayan). Детальный обзор начальных и последующих этапов его разработки дан в совместной работе Нарайана и сотрудника Шанхайского обсерватории Фенга Юана: F. Yuan, R. Narayan, 2014. Hot accretion flows around black holes. Он вошел в литературу как модель горячей аккреции — соответственно, аккреционные процессы, которые ранее считались стандартными, стали называть холодными.
Исторически создание этой модели восходит к новаторской концепции аккреции на черную дыру, опубликованной почти полстолетия назад (S. L. Shapiro et al., 1976. A two-temperature accretion disk model for Cygnus X-1: structure and spectrum). Она основана на анализе данных по открытому в 1964 году компактному рентгеновскому источнику в созвездии Лебедя Лебедь Х-1, в котором уже тогда видели едва ли не лучшего кандидата в черную дыру звездной массы. Сейчас эта гипотеза полностью доказана, масса дыры оценивается в 14,8 солнечных масс. Авторы статьи объяснили особенности наблюдаемого спектра на основе предположения, что аккрецирующая на дыру плазма состоит из электронной и ионной компонент, чьи температуры различаются не в разы, а на порядки. Согласно этому сценарию, ионы плазмы (а это почти исключительно протоны) почти ничего не излучают из-за своей большой массы относительно электронов. Поэтому они почти не теряют температуру, прибретенную из-за внутреннего трения в плазме, которая вблизи горизонта дыры может доходить до 1012 кельвин. Столь высокий нагрев препятствует формированию сгустков, так что плотность плазмы остается низкой. Поэтому кулоновское взаимодействие между электронами и ионами оказывается сильно ослабленным, тепловой обмен между двумя компонентами плазмы резко падает, и плазма сохраняет двухтемпературную структуру. В результате единственным источником электромагнитных волн остаются горячие электроны низкой плотности, которые почти не поглощают собственное излучение и тем самым препятствуют возникновению у него чернотельного спектра.
Модель Шапиро и его соавторов выглядела очень привлекательно; в частности, она объяснила малую радиационную яркость дисков Стрельца А* и черной дыры в галактике М87, которые были признаны, если так можно выразиться, образцами горячей аккреции. Однако сейчас самое время вспомнить, что дьявол скрыт в деталях. В своем изначальном виде эта модель не имела устойчивых решений и потому не могла гарантировать сколько-нибудь долговременного (конечно, по астрономическим масштабам) существования двухтемпературных аккреционных дисков.
Избавление от этой трудности заняло около двадцати лет. К середине 1990-х годов усилиями ряда ученых было показано, что двухтемпературная модель имеет два решения, одно из которых достаточно устойчиво. Это доказательство легло в основу дальнейшего конструирования моделей горячей аккреции. С их помощью, в частности, удалось продемонстрировать, что такая аккреция реально — и весьма сильно — снижает лучевую светимость диска. Тем самым астрофизики объяснили, почему мощность излучения дисков с горячей аккрецией может быть на несколько порядков меньше десяти процентов энергии той материи, которая каждую секунду поглощается дырой. Например, еще в конце прошлого столетия были выполнены вычисления, из которых следовало, что КПД генерации излучения аккреционным диском галактики М87 равен приблизительно одной десятой процента, что не слишком расходилось с тогдашними данными наблюдений.
Однако и это еще не конец истории. Как отмечено в обсуждаемой статье, даже более-менее удовлетворительное соответствие численных результатов моделирования динамики аккреционных дисков Стрельца А*, М87 и других черных дыр с малой светимостью еще не означает, что сама эта модель обязательно справедлива. Например, в сильно намагниченной высокотемпературной плазме дисков с ионными температурами порядка 1012 кельвин и электронными на уровне 1010 кельвин должны рождаться зоны локальной нестабильности, как того требуют законы магнитной гидродинамики. Если допустить, что в таких зонах будет происходить уравнивание электронной и ионной температур, модель двухтемпературной аккреции повиснет в воздухе.
На помощь приходят телескопы
Эта проблема вполне реальна, однако в последние годы ее удалось частично разрешить. Это было сделано благодаря исследованию черных дыр в ядрах Млечного Пути и галактики М87 с помощью глобальной сети радиотелескопов, известной как Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT), и оптического интерферометра GRAVITY, получающего сигналы от четырех восьмиметровых телескопов комплекса VLT Европейской южной обсерватории, расположенной на горе Параналь в Чили. EHT собирает информацию на волне длиной 1,3 миллиметра, в то время как GRAVITY ведет наблюдения в ближней зоне инфракрасного спектра на длине волны в 2 микрометра.
Подробный рассказ о EHT и GRAVITY выходит за рамки этого текста. Поэтому ограничусь напоминанием, что 10 апреля 2019 года команда Телескопа горизонта событий обнародовала реконструированный «портрет» аккреционного диска черной дыры в ядре галактики М87, который сразу стал мировой сенсацией (см. Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере, «Элементы», 14.04.2019). Весной 2022 года тот же коллектив представил на суд коллег десять сообщений с аналогичной информацией о черной дыре Стрелец А* (см. Получено изображение черной дыры в центре нашей Галактики, «Элементы», 13.05.2022).
Однако вернемся к нашим баранам — то есть моделям аккреции. Для детальной оценки конкурирующих моделей аккреции очень важно собрать как можно более полные данные о характере поляризации электромагнитных излучений аккреционных дисков. Как уже говорилось, эти излучения генерируются различными физическими механизмами. Если говорить о волнах тех частот, которые регистрируют радиотелескопы системы EHT и оптический интерферометр GRAVITY, то они представляют из себя уже упоминавшееся синхротронное излучене быстрых электронов, которые движутся по спиральным путям вокруг силовых линий магнитных полей, существующих внутри аккреционного диска. Такие излучения по преимуществу линейно поляризованы, причем направления поляризации перпендикулярны векторам магнитной напряженности. В результате измерения поляризации радио- и инфракрасных сигналов от аккреционных дисков позволяет судить о характере их, если так можно выразиться, магнитного наполнения. С другой стороны, на поляризацию также влияют движения внутридисковой плазмы, которые, в свою очередь, зависят от ее плотности и температуры. Поэтому поляризационные измерения дают информацию и об этих важнейших характеристиках аккреционных дисков. А это всё означает, что анализ результатов таких измерений укрепляет позиции каких-то количественных моделей динамики дисков и, соответственно, ослабляет аргументы в пользу их конкурентов. Именно об этом и говорилось в начале абзаца.
А теперь главное. Опубликованные итоги сравнения различных сценариев падения материи на черные дыры свидетельствуют о том, что двухтемпературная модель горячей аккреции гораздо лучше согласуется с данными наблюдений, нежели различные модели однотемпературной плазмы. Об этом, в частности, говорится в очень подробном отчете о тестировании моделей аккреции на черную дыру Стрелец А* на основе информации с радиотелескопов комплекса EHT, опубликованном 12 мая прошлого года. Как заключают авторы обсуждаемой статьи, эта информация создает для двухтемпературной модели более прочную основу.
Конечно, этот вывод все еще нельзя считать окончательным. Одна из оставшихся проблем — измерение ионной температуры дисков черных дыр Стрелец А* и М87, чего до сих пор еще не удалось сделать. Однако очень обнадеживает тот факт, что уже имеющиеся оценки электронных температур обоих дисков (для первого она превышает 1,3×1010 кельвин, а для второго — 5×109 кельвин) достаточно близки результатам модельных вычислений, сделанных еще в конце прошлого столетия. Это же относится и к новейшим оценкам радиационного КПД обоих дисков (10−3 у Стрельца А* и 10−2 у М87).
Напоследок один интересный нюанс. Как только что было отмечено, диски с горячей аккрецией перерабатывают вещество в излучение с крайне невысокой эффективностью. Однако теория указывает, что такие диски должны очень успешно выбрасывать материю в виде релятивистских джетов. Именно это и делает аккреционный диск в ядре галактики М87. С другой стороны, у дыры в центре нашей Галактики пока что не обнаружено хотя бы слабого джета. Причина этого пока неясна — есть разные гипотезы. Одна из них состоит в том, что Стрелец А* вращается слишком медленно для формирования джета. Согласно другой гипотезе джет все же существует, но не может пробить газовое окружение дыры и выйти в свободный от вещества космос, где его было бы легче заметить. В любом случае, пока это открытый вопрос.
В заключительном разделе Нарайан и Кватерт подчеркивают, что исследование физических процессов вблизи горизонта событий черных дыр останется важнейшей проблемой асрофизики на ближайшие десятилетия. Его возможности расширятся с появлением новых телескопов наземного и космического базирования, работающих в разных полосах электромагнитного спектра. Так что будущее сулит в этой области множество открытий.
Источник: Ramesh Narayan, Eliot Quataert. Black holes up close // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05768-4.
Алексей Левин
Свежие комментарии