Термин «черная дыра» ввел в научную терминологию американский физик Джон Уиллер (1912-2008), который сыграл ключевую роль в разработке атомной бомбы. Что же такое «черная дыра»? Хотя это предмет рассмотрения астрономии и астрофизики, а не собственно космонавтики, кратко остановимся на истории возникновения этого понятия. Как известно, рентгеновское излучение и другие возникают в результате мощных взрывов и процессов образования нейтронных звезд и черных дыр, которые возникают в процессе грандиозных гравитационных коллапсов при высоких температурах. Черные дыры — конечный этап жизненного цикла звезд. В 1783г. профессор Кембриджского университета Д. Митчелл представил работу, в которой доказывал, что у мощных компактных звезд гравитационное поле такой силы, что даже свет не может его преодолеть. В 1916г. немецкий физик Карл Шварцшильд на основании теории Эйнштейна рассчитал критический радиус, при достижении которого, вследствие сжатия угасающей звезды, она становится невидимой. В 1932г. Янский открыл возможность приема космического радиоизлучения с помощью радиотелескопа. Впервые рентгеновское излучение в космосе было обнаружено в 1956г. с помощью ракет. В 1962г. были открыты первые дискретные источники рентгеновского излучения, находящиеся за пределами Солнечной системы. В 1969г. такие звезды американский астрофизик Д. Уиллер назвал «черными дырами». Границу черной дыры называют горизонтом событий. Горизонт событий всегда имеет одну сторону, т.к. неизвестно, что находится внутри. Все излучения, в том числе и рентгеновское, возникают не в самой черной дыре, а около нее в процессе сжатия и разогрева материи. Если наше Солнце сжать до размеров черной дыры, то радиус Шварцшильда будет равен 3 км, а для Земли – 1 см. Плотность вещества окажется 1030 кг/м3 . Таким образом, вещество Земли поместится в одном наперстке.
В силу определенных астрофизических закономерностей, ни Солнце, ни Земля не могут превратиться в черные дыры. В черные дыры могут превратиться звезды, масса которых в 2.5 – 3 раза больше Солнца. Первые астрономические наблюдения были проведены в 1946г. с помощью трофейных немецких ракет ФАУ-2. Атмосфера препятствует нормальному наблюдению за Вселенной. Телескопы, установленные на Земле, могут наблюдать Вселенную через «узкое окно» частот в земной атмосфере. Полоса частот видимых лучей света составляет 1/16 полосы частот невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Изучение черных дыр продолжается. В настоящее время крупные космические объекты выводятся США в космос с помощью челноков «шаттлов».
Так, 24 июля 1999г. на околоземную орбиту американским шаттлом «Колумбия», была выведена на орбиту орбитальная рентгеновская обсерватория «Чандра» с телескопом весом около 20 тонн, размерами с 5-ти этажный дом. На начальном этапе шла калибровка и проверка работы систем телескопа. Но уже в этот период были сделаны открытия в астрономии. Была определена структура ударной волны после взрыва звезды, зафиксировано гигантское кольцо вокруг Крабовидной туманности и множество источников рентгеновского излучения. Телескоп был назван в честь нобелевского лауреата астронома индийского происхождения Чандрасекара. Главной задачей телескопа является изучение галактик и Вселенной путем использования рентгеновского излучения. И, если рентгеновский луч идет от них миллионы световых лет, просвечивая Вселенную, то мы получаем рентгеновский снимок галактик. С помощью «Чандры» астрономы нашли несколько черных дыр, причем некоторые из них находятся на удалении примерно 3-х тысяч световых лет от центра галактики, что по планетарным меркам достаточно близко. На данный момент «Чандра» зафиксировала уже около десятка «черных дыр». Гравитационные поля таких дыр крайне велики, это дало основание ученым полагать, что грандиозные выделения энергии и другие проявления активности в квазарах обусловлены попаданием вещества (газа, звезд) на сверхмассивные черные дыры в ядра этих галактик с их последующим исчезновением.
В конце 2001г. немецким и американским ученым, работающим в мюнхенском Институте астрофизики им. Макса Планка, впервые удалось получить спектральное изображение Венеры с помощью радиотелескопа «Чандра». Солнечное излучение препятствует постоянному наблюдению планеты. Однако ученые разработали принципиально новую аппаратуру, которая позволяет получить спектроскопию высокого качества.
8 сентября 2002г. НАСА распространило очередные изображения, которые были сделаны космическим рентгеновским телескопом «Чандра». На этот раз телескоп зафиксировал подробности процессов, происходящих в обломках сверхновой. А 18 ноября 2002г. американские ученые объявили, что смогли зафиксировать черную дыру, которая движется в направлении нашей галактики в области Млечного пути. Эта черная дыра, получившая обозначение GRO J1655-40, была обнаружена с помощью космического телескопа «Хаббл», который был выведен в космос с помощью шаттла «Дискавери» ранее обсерватории «Чандра» 25 апреля 1990г. Полученные данные о звезде-спутнике совместили с результатами исследований для вычисления параметров движения черной дыры через Млечный путь. Скорость ее перемещения была оценена примерно в 400 000 километров в час, а это свидетельствует о том, что она представляет собой обломки, образовавшейся сверхновой звезды. Черная дыра без разбора пожирает все на своем пути. Впервые астрономы увидели это злодеяние, когда черная сверхмассивная дыра коснулась неосторожной звезды в галактике RXJ1242-11 и поглотила ее часть. Открытие принадлежит американскому космическому телескопу «Чандра» и европейскому телескопу «Ньютон», наблюдавшими за поглощением звездной массы.
Изучением черных дыр занимается также орбитальная обсерватория GALEX. Данные наблюдений радиотелескопов «Чандра», «Хаббл» и обсерватории GALEX, изучаются совместно при исследовании Вселенной.
Телескоп «Чандра»
Обсерватория GALEX
Обсерватория GALEX была запущена 28 апреля 2003г. РН «Пегас-11». После изучения полученных данных команда астрономов и астрофизиков пришла к очень интересному заключению – оказывается, черные дыры, которые находятся в центрах крупных галактик, мешают формированию молодых звезд и тормозят развитие галактик.
Орбитальная обсерватория GALEX («Исследователь Эволюции Галактик») идеально подходит для поиска вновь возникающих звезд: ее ультрафиолетовые детекторы способны ловить излучение даже от небольшого числа звезд в той или иной галактике. Только за первые 29 месяцев работы обсерватория изучила около 800 галактик разного размера. При этом исследователи обнаружили интересную закономерность – чем больше галактика, тем меньше в ней молодых звезд. По мнению авторов исследований, причина этих аномалий заключается в наличие сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик. То есть черные дыры отрицательно влияют на развитие галактик. Ученые предлагают две гипотезы наблюдаемого эффекта. Согласно первой, выбросы вещества с полюсов черной дыры почти полностью уносят «звездный строительный материал» из центра галактики. А ведь, в основном, там формируются звезды. А вторая гипотеза предполагает повышение температуры межзвездной среды у центра галактики за счет падающего на черную дыру газа выше нормы, при которой возможно формирование звезд.
Все подобные открытия были невозможны до эры внеатмосферной астрономии. Озоновый слой Земли задерживает ультрафиолетовое излучение, приходящее на нее. Поэтому и была создана орбитальная обсерватория GALEX – для изучения ультрафиолетовой картины неба, как и SOHO, с помощью которой изучается физика Солнца, и орбитальный телескоп Хаббл, с помощью которого изучаются созвездия и физика дальнего космоса.
В 2005г. американская рентгеновская обсерватория «Чандра» обнаружила звездную систему двух белых карликов, которые находятся столь близко дуг к другу, что неизменно сольются. Астрономы надеются, что, наблюдая этот процесс, они смогут обнаружить неуловимые гравитационные волны.
В конце января 2009г появилось сообщение, что рентгеновский телескоп Сhandra получил рекордный по разрешению снимок эмиссионной туманности NGC 604. Изображение, опубликованное на страничке телескопа на сайте Гарвардского университета, составное. Цвета красный и зеленый – это изображение в оптическом диапазоне, его сделал раньше космический телескоп Hubble. Синий же – это рентгеновские фотоны, которые испускаются разогретым до миллионов градусов газом туманности. Именно этот газ и фотографировал в течение 25 часов Chandra. А разогревает этот газ как раз звездный ветер с двух сотен молодых и гипермассивных звезд, недавно сформировавшихся.
Туманность NGC 60NGC 604.
Фото NASA
И вот что удивительно: рентгеновское изображение оказалось разделенным некоей «невидимой стеной» на «Запад» и «Восток», картинка в которых весьма различна. Картинка на «Западе» полностью согласуется с теорией. Судя по яркости свечения, газ там разогрет рождающимися звездами общей массой около 4,3 тыс. масс Солнца, что примерно как раз и соответствует 200 молодым и очень массивным звездам. А вот «Восток» оказался более тихим: яркость рентгена соответствует там приблизительно 1,7 тыс. массам Солнца. Судя по всему, газ там разогрет молодыми звездами и сверхновыми в прошлом и сейчас остывает. Очень похоже на то, что «Восток» и «Запад» действительно разделены некой массивной «стеной» из газа, которая ограждает «тихую гавань» «Востока» от бушующей звездообразующей области «Запада». Природа такого явления пока что не известна, и объяснение полученной картинке еще предстоит найти.