Диски и Джеты
(И)
Квазары
Большинство объектов, видимых радиотелескопами, - это огромные газовые облака, куда больше любой звезды. Но в начале 1960-х годов ими были обнаружены несколько совсем крошечных объектов. Астрономы назвали эти объекты квазарами от "квази-звездных радиоисточников" (англ. quasar - "quasi-stellar radio sourses"). В 1962 году астроном Мартен Шмидт из Калтеха, глядя в самый большой в мире оптический телескоп на горе Паломар, обнаружил свет, идущий от квазара под названием 3C273. Он выглядел как яркая звезда с бьющей из нее тусклой струей (джетом; рисунок 9.1). Это было странно!
Когда Шмидт разложил свет 2C273 на разные цвета (так иногда делают, пропуская свет через призму), он увидел набор спектральных линий, изображенный снизу на рисунке 9.1. На первый взгляд, они были не похожи ни на одни спектральные линии, какие он когда-либо видел. Но в феврале 1963 года, после нескольких месяцев усилий, он осознал, что линии выглядели незнакомо просто потому, что длины волн были на 16 процентов больше обычного. Это называется допплеровское смещение; оно вызвано удалением квазара от Земли со скоростью в 16 процентов от скорости света, около c/6. Что могло спровоцировать такое сверхбыстрое движение? Наименее безумное объяснение, которое нашел Шмидт, - это расширение Вселенной.
Рис. 9.1. Сверху: Фотография 3C273 Космического Телескопа Хаббл НАСА. Звезда (сверху слева) выглядит большой только потому, что фото передержано, чтобы можно было разглядеть тусклый джет (англ. jet - струя; снизу справа). На самом деле она столь мала, что ее величину невозможно измерить. Снизу: спектральные линии Мартена Шмидта от 3C273 (верхняя полоса) в сравнении со спектральными линиями водорода, измеренными в лаборатории на Земле. Три линии квазара - те же самые, что и линии водорода под названием Hβ, Hγ и Hδ, но с увеличенными на 16 процентов длинами волн. (Изображения спектральных линий - это негативы: черные линии на самом деле яркие.)
Поскольку Вселенная расширяется, объекты вдалеке от Земли движутся прочь от нас с очень высокой скоростью, а более близкие объекты удаляются медленнее. Чудовищная скорость 3C273, одна шестая скорости света, означала, что 3C273 находится в двух миллиардах световых лет от Земли - это почти самый далекий наблюдавшийся в те времена объект. Из яркости и расстояния Шмидт заключил, что 3C273 светит в 4 триллиона раз мощнее Солнца, и в сто раз мощнее самых ярких галактик!
Эта невероятная мощность колебалась с периодичностью порядка месяца, так что большая часть света должна была идти от достаточно маленького объекта, чтобы свет мог пересечь его за один месяц - это куда меньше, чем расстояние от Земли до ближайшей звезды, Проксимы Центавра. А другие квазары с почти такой же мощностью колебались с периодичностью в несколько часов, так что они должны были быть не намного больше нашей Солнечной системы. Мощность в сотню ярких галактик, исходящая из области размером с Солнечную систему; это было феноменально!
Черные Дыры и Аккреционные Диски
Как может столько энергии исходить из такой маленькой области? Если вспомнить фундаментальные силы Природы, то есть три варианта: химическая энергия, ядерная энергия или гравитационная энергия.
Химическая энергия - это энергия, высвобождаемая при соединении молекул в новые виды молекул. Пример - это горение бензина, при котором кислород воздуха объединяется с молекулами бензина с получением воды, углекислого газа и кучи тепла. И все-таки мощность такого источника была бы слишком, слишком мала.
Ядерная энергия получается при соединении атомных ядер в новые атомные ядра. Примеры - это атомная бомба, водородная бомба и горение ядерного топлива внутри звезды. Хотя эта энергия может быть куда мощнее, чем химическая (представьте разницу между огнем бензина и ядерной бомбой), астрофизики не нашли ни одного правдоподобного объяснения, как ядерная энергия может питать квазары. Она все еще была слишком хилой.
Так что оставалась только гравитационная энергия, та же самая, которой нам пришлось воспользоваться, прокладывая курс Эндуранс вокруг Гаргантюа. В случае Эндуранс мы обуздали гравитационную энергию с помощью пращи вокруг черной дыры средней массы (Глава 7). Ключом была мощная гравитация черной дыры. Аналогично, и в случае квазаров энергия должна исходить от черной дыры.
Астрофизики бились в течение нескольких лет, пытаясь выяснить, как черная дыра может это реализовать. Ответ был найден в 1969 году Дональдом Линден-Беллом из Гринвичской королевской обсерватории в Англии. Он выдвинул гипотезу, что квазар - это гигантская черная дыра, окруженная диском горячего газа (аккреционным диском), пронизанного магнитным полем (рисунок 9.2).
Горячий газ в нашей Вселенной почти всегда пронизан магнитными полями (Глава 2). Эти поля заперты в газе; газ и поля движутся вместе, нога в ногу.
Пронизывая аккреционный диск, магнитное поле катализирует превращение гравитационной энергии в тепло, а затем в свет. Поле обеспечивает сверхсильное трение,[21] которое замедляет круговое движение газа, уменьшая центробежную силу, выдерживающую гравитационное тяготение, так что газ смещается внутрь, к черной дыре. По мере движения газа внутрь, гравитация дыры ускоряет его орбитальный ход даже сильнее, чем трение его замедлило. Другими словами, гравитационная энергия превращается в кинетическую энергию (энергию движения). Магнитное трение затем превращает половину этой новой кинетической энергии в тепло и свет, и процесс повторяется.
Энергия исходит из гравитации черной дыры. Средства для ее извлечения - это магнитное трение и газ в диске.
Яркий свет квазара, видимый астрономами, исходит из разогретого газа в диске, заключил Линден-Белл. Более того, магнитное поле разгоняет часть электронов газа до высоких энергий; и электроны устремляются по спирали вдоль магнитных силовых линий, испуская наблюдаемые радиоволны квазара.
Линден-Белл проработал все это в подробностях с помощью сочетания законов Ньютона, теории относительности и квантовой механики. Он легко объяснил все, что астрономы наблюдали у квазаров, кроме джетов. Техническая статья, описывающая его объяснения и расчеты, (Линден-Белл 1979) - одна из значительных астрофизических статей всех времен.
Джеты: Извлечение Энергии из Пространственного Вихря
В течение следующих нескольких лет астрономы открыли множество других джетов, бьющих из квазаров, и весьма обстоятельно изучили их. Вскоре стало ясно, что это потоки горячего, магнетизированного газа, выбрасываемые из самого квазара - из черной дыры и ее аккреционного диска (рисунок 9.2). И этот выброс чрезвычайно мощен: газ движется в джетах с почти световой скоростью. Летя и рассекая вещество вдалеке от квазара, газ излучает энергию в виде света, радиоволн, рентгеновского излучения и даже гамма-лучей. Джеты иногда так же ярки, как и сам квазар, в сотню раз ярче самых ярких галактик.
Рис. 9.2. Представление художника об аккреционном диске вокруг черной дыры и джетах, вырывающихся из области полюсов дыры. [Рисунок Мэтта Цимета, основанный на моем наброске; из моей книги Черные Дыры и Складки Времени: Дерзкое Наследие Эйнштейна.]
Астрофизики бились около десятилетия чтобы объяснить, откуда джеты берут энергию и почему они такие быстрые, такие узкие и такие прямые. Ответов было предложено несколько, самый интересный вариант представили в 1977 году Роджер Блэндфорд из Кембриджского университета, Англия, и его студент Роман Знайек, используя основы, заложенные оксфордским физиком Роджером Пенроузом; см. рисунок 9.3.
Газ аккреционного диска постепенно по спирали спускается в черную дыру. Пересекая горизонт событий дыры, каждый кусочек газа оставляет свой кусочек магнитного поля на горизонте, а дальше окружающий диск удерживает его там, заключили Блэндфорд и Знайек. Вращаясь, черная дыра затягивает пространство в вихревое движение (рисунки 5.4 и 5.5), а вихрь пространства заставляет кружиться и магнитное поле (рисунок 9.3). Вращающееся магнитное поле создает сильное электрическое поле, как динамо на гидроэлектростанции. Вместе электрическое поле и вращающееся магнитное поле выстреливают плазму (горячий ионизированный газ) вверх и вниз с почти световой скоростью, создавая и питая два джета. Направления джетов удерживаются неподвижно (усредняя по годам) вращением черной дыры, которое в свою очередь удерживается неподвижно эффектом гироскопа.
Рис. 9.3. Механизм создания джетов Блэндфорда-Знайека. [Рисунок Мэтта Цимета, основанный на моем наброске; из моей книги Черные Дыры и Складки Времени: Дерзкое Наследие Эйнштейна.]
У 3C273 только один джет достаточно ярок, чтобы быть видимым (рисунок 9.1), но у многих других квазаров видны оба.
Блэндфорд и Знайек проработали все подробности, сильно опираясь на теорию относительности Эйнштейна. Они смогли объяснить почти все у джетов, что видят астрономы.
В другом варианте объяснения (рисунок 9.4), вращающееся магнитное поле привязано к диску, а не к дыре, и влечется по кругу орбитальным движением диска. В остальном история все та же: эффект динамо; выстреливающая плазма. Этот вариант неплохо работает, даже если дыра не вращается. Но мы довольно уверены, что большинство черных дыр быстро вращаются, так что полагаю, что механизм Блэндфорда-Знайека (рисунок 9.3) наиболее распространен у квазаров. Впрочем, я, возможно, предвзят. Я потратил много времени в 1980-х, изучая нюансы блэндфордо-знайековских идей и даже был соавтором технической книги на эту тему.
Рис. 9.4. То же, что на рисунке 9.3, но магнитное поле привязано к аккреционному диску. [Рисунок Мэтта Цимета, основанный на моем наброске; из моей книги Черные Дыры и Складки Времени: Дерзкое Наследие Эйнштейна.]
Откуда Берется Диск? Приливные Силы Рвут Звезды в Клочья
Линден-Белл в 1969 году умозрительно предположил, что квазары обитают в центрах галактик. Мы не видим галактику-хозяина квазара, сказал он, потому что ее свет намного тусклее света квазара. Квазар заглушает галактику. Десятилетия спустя, когда технологии достаточно развились, астрономы обнаружили свет галактик вокруг многих квазаров, подтвердив предположение Линден-Белла.
За эти десятилетия мы также узнали, откуда берется большая часть газа диска. Время от времени какая-нибудь блуждающая звезда проходит так близко к черный дыре квазара, что приливная гравитация дыры (Глава 4) разрывает звезду на куски. Большую часть разбрызганного газа звезды захватывает черная дыра, образуя аккреционный диск, а часть газа ускользает.
В последние годы, скажем спасибо развивающейся компьютерной технологии, астрофизики смоделировали этот процесс. Рисунок 9.5 взят из недавней модели Джеймса Гильошона, Энрико Рамиреc-Руиса и Дэниэла Касена (Калифорнийский университет в Санта-Круз) и Штефана Россвога (Бременский университет).[22] В нулевой момент времени (не показан) звезда направлялась почти точно на черную дыру, а приливная гравитация дыры начинала растягивать звезду в направлении к дыре и сжимать с боков, как на рисунке 6.1. Двенадцать часов спустя сильно деформированная звезда находится там, где показано на рисунке 9.5. На протяжении следующих нескольких часов она проворачивается вокруг дыры по голубой орбите-праще и деформируется дальше, как показано на рисунке. К двадцати четырем часам звезда разлетается на части; ее собственная гравитация больше не может удерживать ее.
Рис. 9.5. Приливное разрушение красного гиганта черной дырой, похожей на Гаргантюа.
Дальнейшая судьба звезды показана на рисунке 9.6, из другой модели Джеймса Гильошона и Suvi Gezari (Университет Джона Хопкинса). Видео этой модели см. на http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2012/18/video/a/.
Рис. 9.6. Дальнейшая судьба звезды с рисунка 9.5.
Верхние два изображения относятся ко времени незадолго до начала и вскоре после конца рисунка 9.5; я десятикратно увеличил эти два изображения по сравнению с остальными, чтобы можно было разглядеть дыру и разрушающуюся звезду.
Как показывает весь ряд изображений, на протяжении следующих нескольких лет большая часть вещества звезды захватывается на орбиту вокруг черной дыры, где начинает образовываться аккреционный диск. А остальное вещество ускользает от гравитационного тяготения дыры по текучей, струеподобной траектории.
Аккреционнный Диск и Отсутствующий Джет Гаргантюа
Обычный аккреционный диск с джетом излучает в рентгеновском, гамма, радио и видимом диапазонах столь мощно, что он поджарит всякого, кто окажется поблизости. Чтобы обойтись без поджаривания, Кристофер Нолан и Пол Франклин наградили Гаргантюа чрезвычайно бледным диском.
Теперь, “бледный” не значит бледный по человеческим меркам; только по меркам обыкновенных квазаров. Вместо температуры в сотню миллионов градусов, как у диска обычного квазара, диск Гаргантюа нагрет только до тысячи градусов, как поверхность Солнца, так что он излучает много света, но немного или же совсем не излучает в рентгеновском и гамма-диапазонах. Поскольку газ настолько холоден, тепловое движение атомов слишком медленное, чтобы заставить диск сильно клубиться. Диск тонкий и почти вписывается в экваториальную плоскость, клубясь совсем чуть-чуть.
Диски вроде этого могут быть обычным делом вокруг черных дыр, которым не доводилось разрывать в клочья звезды на протяжении последнего миллиона лет и более - то есть которых не “кормили” долгое время. Магнитное поле, первоначально заключенное в плазму диска, могло большей частью утечь. А джет, в прошлом питаемый магнитным полем, мог и умереть. Таков диск Гаргантюа: без джета, тонкий и относительно безопасный для людей. Относительно.
Диск Гаргантюа выглядит совсем по-другому по сравнению с изображениями тонких дисков, которые можно найти в сети или в технических публикациях астрофизиков, поскольку на тех картинках опущена ключевая особенность - гравитационное линзирование диска черной дырой.. Но только не в Интерстелларе: Крис настаивал на визуальной точности.
Перед Евгенией фон Танзельманн стояла задача вставить аккреционный диск в компьютерный код гравитационной линзы Оливера Джеймса, который я описывал в Главе 8.
Первым делом, чтобы просто посмотреть, что делает линза, Евгения вставила диск, который был действительно бесконечно тонким и лежал точно в экваториальной плоскости Гаргантюа.
Для этой книги она предоставила познавательную версию диска, состоящую из равных цветных лоскутов (вставка на рисунке 9.7).
Если бы линзы не было, диск выглядел бы как на вставке. Линза же сильно меняет его (основная часть рисунка 9.7). Возможно, вы ждали, что задняя часть диска будет спрятана за черной дырой. Но нет. Вместо этого гравитационная линза создает два изображения этой части, одно над Гаргантюа, другое под; см. рисунок 9.8. Лучи света, испущенные с верхней поверхности диска за Гаргантюа, движутся над черной дыры к камере, создавая изображение диска, обернутое вокруг верха тени Гаргантюа на рисунке 9.7; и аналогично для изображения диска, обернутого вокруг низа тени Гаргантюа.
Рис 9.7. Бесконечно тонкий диск в экваториальной плоскости Гаргантюа под действием гравитационной линзы искривленного пространства и времени Гаргантюа. Гаргантюа здесь вращается очень быстро. Вставка: Диск в отсутствие черной дыры. [Предоставлено художественной командой Евгении фон Танзельманн из Double Negative.]
Рис 9.8. Лучи света (красные) несут камере изображения задней части аккреционного диска из-за Гаргантюа: одно изображение над тенью дыры, другое под ней.
Внутри этих первичных изображений мы видим тонкие вторичные изображения диска, оборачивающие тень сверху и снизу, рядом с краем тени. А если сильно увеличить картинку, то можно увидеть третичные и более высокоразрядные изображения, все ближе и ближе к тени.
Можете ли вы объяснить, почему диск под действием линзы принимает именно такую форму? Почему первичное изображение, обернутое снизу тени, присоединено к тонкому вторичному изображению, обернутому сверху? Почему цветные лоскуты обернутых сверху и снизу изображений так сильно растянуты, а с боков - сжаты?..
Пространственный вихрь Гаргантюа (пространство движется на нас слева и от нас справа) искажает изображение диска. Он отталкивает диск от тени слева и притягивает к ней справа, так что диск выглядит немного кривобоко. (Можете объяснить почему?)
Чтобы вникнуть дальше, Евгения фон Танзельманн со своей командой заменила свой вариант диска из цветных лоскутов (рисунок 9.7) на более реалистичный тонкий аккреционный диск: рисунок 9.9. Это было куда красивее, но обнаружилась одна трудность. Крис не хотел сбивать с толку массовую аудиторию кривобокостью диска и тени черной дыры, плоским левым краем тени и запутанным рисунком звездного поля возле него (описано в Главе 8). Так что они с Полом замедлили вращение Гаргантюа до 0,6 от максимальной скорости, умерив эти странности. (Евгения уже пренебрегла допплеровским смещением, вызванным движением диска на нас слева и от нас справа. Оно бы сделало диск еще более кривобоким: ярко-синим слева и тускло-красным справа - полная путаница для массовой аудитории!)
Рис 9.9. Бесконечно тонкий диск из цветных лоскутов (рис. 9.7) заменен у Гаргантюа на более реалистичный, бесконечно тонкий аккреционный диск. [Предоставлено художественной командой Евгении фон Танзельманн из Double Negative.]
Затем художественная команда из Double Negative придала диску текстуру и поверхностный рельеф, какой, мы полагаем, будет у настоящего бледного диска, заставив его чуть клубиться, по-разному в разных местах. Диск сделали горячее (ярче) рядом с Гаргантюа и прохладнее (тусклее) на большем расстоянии. Его сделали толще на большем расстоянии, поскольку это приливная гравитация Гаргантюа сжимает диск в экваториальную плоскость, а приливная гравитация намного слабее на удалении от черной дыры. Добавили фоновую галактику - многослойное произведение искусства (пыль, туманности, звезды). И добавили блики камеры - дымку, вспышки и полосы света, которые появляются при рассеивании яркого света диска линзой камеры. В итоге получились чудесные и убедительные изображения из фильма (рисунки 9.10 и 9.11).
Рис. 9.10. Гаргантюа со своим аккреционным диском и планета Миллера над левым краем диска. Диск столь ярок, что звезды и туманности едва видны. [Из Интерстеллара, использована собственность Warner Bros. Entertainment Inc.]
Рис. 9.11. Часть диска Гаргантюа с близкого расстояния, поверх него проходит Эндуранс. Черная область - это Гаргантюа, обрамленная диском, с некоторым количеством белого рассеянного света на переднем плане. [Из Интерстеллара, использована собственность Warner Bros. Entertainment Inc.]
Также Евгения со своей командой, конечно же, заставила диск вращаться по орбите Гаргантюа, как ему и следует, чтобы не свалиться внутрь. В сочетании с гравитационной линзой орбитальное движение газа создало впечатляющий текучий эффект из фильма, на который намекают линии обтекания газа на рисунке 9.11.
Каким удовольствием было для меня впервые увидеть эти изображения! В первый раз за всю историю голливудских фильмов черная дыра и ее диск были изображены такими, какими мы, люди, по-настоящему увидим их, когда освоим межзвездные перелеты. А я, как физик, впервые увидел реалистичный диск, преломленный гравитационной линзой, так что он оборачивает верхнюю и нижнюю стороны дыры, а не скрывается за ее тенью.
Диск Гаргантюа бледен, хоть и великолепно красив, у нее нет джетов - так в самом ли деле ее окресности безопасны? Амелия Бранд думает, что да...
21. Трение возникает в результате сложного процесса, в ходе которого движущийся газ взвинчивает поле, усиливая его и, следовательно, переводит энергию движения в магнитную энергию; а затем магнитное поле, направленное в противоположные стороны в соседних областях пространства, заново соединяется и попутно переводит магнитную энергию в тепло. Такова природа трения - перевод движения в тепло.
22. Я изменил размер дыры до размера Гаргантюа, а размер звезды - до размера красного гиганта, и соответственно изменил время, подписанное на рисунке 9.5.
Комментариев нет :
Отправить комментарий