Вечные вопросы. Часть 1
…и раскрути эту линейку…
– Чего?
– …и в той точке на этой вращающейся линейке, где эта механическая система на какой-то период времени придет в равновесие, там и будет находиться центр масс, или, если хочешь, центр инерции этой механической системы…
– У нас разговор идет сейчас о столкновении галактик, поэтому о какой там крутящейся линейке может идти речь?
– В данном случае, взаимодействующие галактики, звезды системы, планеты со спутниками – для простоты рассматриваются астрономами как тела, а линейкой, удерживающей эти тела в связке, является сила притяжения, благодаря которой эта механическая система существует…
– Попробуй объяснить сказанное на пальцах…
– Знаешь, где находится центр масс Земли?
– Наверное, в центре Земли…
– Все верно! Земля хоть и не является шаром, а геоидом, и по составу она неоднородна, да еще и находится в гравитационном поле многих тел, но для простоты считается, что центр масс Земли совпадет с центром тяжести и находится эта точка в центре ядра Земли.
А знаешь, где находится центр масс системы Земля – Луна?
– Я не понимаю, что такое центр масс системы Земля – Луна!
– Уф!
– А кому сейчас легко?
– Когда говорят, что Луна вращается вокруг Земли или Земля вращается вокруг Луны, то это совсем не так! Смотри, масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли. Когда Луна находится в самой ближайшей к Земле точке, в перигее, нас разделяет всего 363 104 километра, а в самой удаленной точке, в апогее, 406 696 километров. Земля притягивает Луну, а Луна притягивает Землю. А теперь попробуй представить, что Луна падает на Землю…
– То есть?
– Центр масс Земли благодаря силе притяжения притягивает к себе центр масс Луны, отчего Луна падает на Землю…
– И?
– Это грубо, это схематично, но это объяснение поможет тебе понять, почему у связанных гравитацией массивных объектов не может быть круговых орбит, и что такое центр масс…
– ?
– Так вот, пока Луна летит к Земле, сама Земля перемещается в пространстве, поскольку она вращается вокруг Солнца, поэтому Луна не падает на Землю, а пролетает мимо…
– Извини?
– Так как у Луны заметная масса, то она по инерции продолжает двигаться дальше, но чем дальше она становится от Земли, тем меньше ее орбитальная скорость…
…а в самой удаленной точке своей орбиты Луна, благодаря все той же силе гравитации, останавливается, чтобы вновь начать падать на Землю, но Земля вновь смещается в пространстве и все начинается снова…
– Гм…
– Поскольку масса Земли больше массы Луны в 81,3 раза, то многие считают, что Земля притягивает Луну. В действительности же, Луна также притягивает Землю! И вот та точка, вокруг которой вращаются Земля и Луна, являются центром масс или центром инерции системы Земля – Луна…
…находится же центр масс системы Земля – Луна на расстоянии около 4 700 километров от центра Земли, то есть внутри Земли…
– Брр…
– В истории центра масс системы Солнце – Юпитер уже все иначе! Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли, но Юпитер находится дальше от Солнца, чем Луна от Земли, поэтому центр инерции системы Солнце – Юпитер находится не внутри Солнца, а за пределами солнечной поверхности…
…и находится эта материальная точка где-то в 46 тысячах километров от поверхности Солнца, что составляет примерно 7 % от солнечного радиуса…
…если же сказать иначе, то, строго говоря, Юпитер не вращается вокруг Солнца, он вращается вокруг точки, которая находится в 46 тысячах километров от поверхности Солнца…
…и вокруг этой же точки вращается Солнце в системе Солнце – Юпитер…
– ?
– …и не центр Земли движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, как думают многие, вокруг Солнца по этой вытянутой орбите движется центр масс системы Земля – Луна. Ясно?
– Угу…
– Точно такая же точка, вернее, центр инерции появится и у сталкивающихся галактик, и появится она задолго до их столкновения, вокруг которого они и начнут кружить, с каждым новым оборотом становясь все ближе и ближе…
…небесная механика – это очень сложная наука…
– Но ведь выходит, что два любых астрономических тела взаимно притягиваются?
– Разумеется, а скорость распространения гравитационных волн, как сейчас считается, равна скорости света в вакууме…
– Тогда получается, что поскольку звезды притягиваются друг к другу, то в сталкивающихся галактиках они должны столкнуться! Правильно?
– Но в сталкивающихся галактиках звезды относительно друг друга не передвигаются со скоростью света!
Да, окажись две сближающиеся гипотетические звезды там, где сила притяжения других объектов отсутствовала бы, то однажды наши две звезды и столкнулись бы. Но из-за центра масс произошло бы это далеко не сразу. Это частная задача небесной механики, так называемая задача двух тел, которая, как говорят, решена в общем виде…
…вот только проблема здесь состоит в том, что галактик, состоящих из двух звезд, не существует, они состоят из очень большого количества различных объектов…
…и если рядом со сближающимися звездами окажется… некий третий массивный объект…
…хотя это правило подходит для любых астрономических объектов, вплоть до сталкивающихся галактик, то этот объект может как ускорить сближение двух других объектов, так и разрушить эту систему, поэтому такие системы, состоящие из трех и более компонентов, называют хаотическими системами…
…а даже задача трех тел уже не имеет решения…
– Это почему?
– Я же тебе это только объяснил! Впрочем, вероятно, нам еще не раз придется затрагивать эту тему, а пока давай-ка мы вернемся к столкновению галактик…
Итак, когда галактики сближаются, то задолго до их непосредственного столкновения у них появляется центр инерции, который вносит существенные коррективы в направление движений этих галактик…
…а когда эти галактики достаточно сблизятся друг с другом, то они начинают деформироваться, то есть внутри этих галактик у звезд начинают меняться не только орбиты, но и их орбитальные скорости…
…и если разница в массах галактик очень велика, допустим, как в истории поглощения Млечным Путем карликовой галактики, то…
…периферийные звезды более массивной галактики из-за воздействия внешнего гравитационного поля менее массивной галактики начнут удаляться от ее центра, но вряд ли они покинут ее пределы, чему будет способствовать мощное суммарное гравитационное поле этой самой галактики…
…а вот звезды менее массивной галактики под воздействием внешнего гравитационного поля более массивной галактики начнут покидать материнскую галактику, становясь частью более массивной родственницы…
…и если посмотреть на этот процесс со стороны, да еще и в ускоренном темпе, то это будет чем-то напоминать перематывание нити шерсти с маленького клубка на большую катушку…
– Чудное сравнение…
– Если же… галактики близки по массам и размерам, и в их составе сотни миллиардов звезд, то… в этом случае все будет зависеть от скорости и угла столкновения этих самых галактик, но в любом случае это событие будет очень красочное…
…возможно даже, галактические рукава отстанут от галактических ядер…
…и все это произойдет из-за центра масс, который появится задолго до самого столкновения галактик…
– А для чего ты это все рассказываешь?
– Чтобы тебе стало ясно, что не только внутри галактик, но и за их пределами звезды в пространстве перемещаются не по прямой линии…
…и если предположить, что при столкновении галактик криволинейные траектории некоторых звезд в какой-то точке пространства пересекаются, то не надо забывать, что когда две звезды достаточно сблизятся, скажем, когда расстояние между ними составит… три – четыре световых часа… или световой год…
– ?
– …а звезды будут довольно массивными, то у них появится все тот же центр инерции…
…они начнут притягиваться друг к другу, но из-за своих траекторий, скоростей и своей инерции они просто не столкнутся…
…вспомни, почему Луна не сталкивается с Землей…
…также произойдет и со звездами, траектории передвижения которых пересекаются…
…и если скорость сближения двух наших гипотетических звезд будет велика, то они просто-напросто разлетятся в разные стороны…
…если же скорость их сближения окажется невелика и одна из звезд, скажем, догнала другую, то эти звезды могут образовать двойную звездную систему, которая в дальнейшем может превратиться в так называемую тесную двойную систему, но только и при этом сценарии они никак не могут сразу столкнуться…
– А много ли двойных звезд?
– Если говорить об этой Галактике, то доля двойных и кратных звезд, как говорят, составляет более 50 %…
…а ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, входит в тройную звездную систему, называемую Альфа Центавра и, быть может, образовалась эта система лишь потому, что когда-то звезды этой звездной системы однажды очень сильно сблизились на сравнительно малых скоростях…
– И ты считаешь, что ни одна из этих двойных звездных систем не могла появиться в результате столкновения галактик?
– Так разговор-то вроде шел насчет непосредственного столкновения звезд в момент столкновения галактик!
Впрочем, я отвечу тебе на этот вопрос: звезды хоть и имеют высокую орбитальную скорость, но, на мой взгляд, большинство двойных и кратных звездных систем образовались из звезд, которые когда-то сблизились друг с другом на сравнительно малых скоростях…
– Понятно. А какова судьба звезд в… тесных двойных системах?
– Все звездные системы, я тебе напомню, считаются неустойчивыми системами. Даже двойные системы, так как окажись около такой системы какой-либо массивный объект, например, черная дыра или другая звездная система, и эта звездная система может разрушиться…
Но если двойная звездная система длительное время не подвергалась какому-либо внешнему воздействию, то благодаря силе притяжения эти звезды однажды могут так близко сойтись, что станут они называться тесными двойными системами, поскольку расстояние между звездами будет сравнимо с размерами самих звезд…
– Так близко?
– И если такое произойдет, то входящие в эту систему компоненты начнут, как считается, интенсивно обмениваться материей, что внесет существенные коррективы в ход озвученной звездной эволюции, поэтому звезды в тесных двойных системах эволюционируют несколько иначе, чем одинокие звезды…
…вот только понимаешь, хоть эта тема и жутко интересна, но она и довольно объемна, а потому, чтобы не отдаляться, рассматривая различные сценарии, я тебе скажу, что при самом ярком для воображения варианте событий…
…э, если одна из звезд была среднемассивной, а вторая сверхмассивной, то более массивная звезда, поскольку она эволюционирует быстрее, первой начинает превращаться в гиганта или сверхгиганта…
…при этом внешние слои этой звезды разрыхляются, и она значительно раздается в объеме…
…но так как рядом с ней находится другая звезда, которая обладает сильным гравитационным полем, то материя внешних слоев более массивной звезды, как сейчас считается, начинает перетекать на звезду-компаньона…
…иначе говоря, более массивная звезда начинает терять свою массу, а менее массивная звезда, наоборот, за счет аккреции увеличивает массу, что приводит и к увеличению ее температуры, и к ускорению ее эволюции…
Когда более массивный компонент этой двойной системы вырождается, то есть в этой звезде прекращаются термоядерные реакции, и она сбрасывает свои внешние слои, а менее массивная звезда начинает превращаться в гиганта, то тогда происходит обратное перетекание вещества…
…отчего вырожденная звезда начинает прирастать материей своего компаньона и на ее поверхности вновь начинаются термоядерные реакции, но уже другого типа…
…а это приводит к тому, что вновь обретенная материя, набрав какую-то критическую массу, сильным термоядерным взрывом сбрасывается в пространство…
…и происходит это какое-то время регулярно…
…а такие переменные сверхновые звезды относятся к типу Ia, которых причисляют к так называемым стандартным свечам…
– ?
– Что происходит в это время с первоначально менее массивной звездой? Она эволюционирует дальше, но она теряет свою массу, как от перетекания материи на соседнюю вырожденную звезду, так и от систематических сбросов материи внешних слоев, которые происходят на ее соседке…
Разрушится ли первоначально менее массивная звезда от этих постоянных взрывов на соседней вырожденной звезде или нет – однозначно сказать невозможно, уж больно много вариантов…
…но если от стабильного подпитывания материей и регулярных сбросов внешних слоев ядро вырожденной звезды еще не потеряло гидростатического равновесия…
…а какая-то часть первоначально менее массивного компонента тесной двойной системы сохранилась, например, ядро звезды…
…то это ядро, в конце концов, может быть притянуто и поглощено вырожденной звездой, отчего она непременно потеряет гидростатическое равновесие…
…и если это был белый вырожденный карлик, то он превратится в нейтронную звезду…
…если же первоначально более массивный компонент уже превратился в нейтронную звезду, то от такого поглощения она теоретически может превратиться в черную дыру…
Как видишь, при столкновении галактик прямого столкновения звезд быть не может, звезды могут лишь столкнуться в тесных двойных системах…
…но с момента появления двойной звездной системы до момента образования из нее тесной двойной системы должно пройти довольно много времени…
…а с момента появления тесной двойной системы до момента столкновения звезд в этой тесной двойной системе также должно пройти либо несколько десятков миллионов лет, либо несколько миллиардов лет, поскольку это будет зависеть от очень большого числа факторов…
…в кратной звездной системе этот процесс может длиться быстрее…
…но суть ответа от этого не меняется: при столкновении галактик или при пересечении траекторий движения звезд они сразу не сталкиваются.
– Выходит, что столкновение звезд – событие обычное?
– Напомню тебе, что доля двойных и кратных звезд, по мнению ученых, в нашей Галактике составляет более 50 %, но только столкновение звезд в таких системах – процесс очень длительный…
…и современные ученые вроде бы стали недавно фиксировать такие события…
…а в теории столкновение звезд в тесных двойных системах – заурядное событие…
– И как часто от столкновения звезд рождаются черные дыры?
– Понятия не имею…
– А сколько тогда черных дыр хотя бы в этой Галактике?
– Проблема в том, что нашу Галактику мы видим с бедра…
– С ребра…
– С бедра! Так что на самом деле еще доподлинно неизвестно, какова даже ее структура, ведь галактическое ядро, да и галактические рукава скрывают очень многое…
– ?
– …а говорить даже о приблизительном количестве звезд, прошедших ту или иную стадию эволюции, как, впрочем, и говорить об общем количестве звезд пусть даже в этой Галактике, – глупо…
– Хорошо, тогда давай я задам этот вопрос несколько иначе: сколько черных дыр обнаружено в этой Галактике?
– Астрономы уже выявили несколько десятков или даже сотен двойных систем, в которых масса компактных невидимых объектов соответствует массе черных дыр, но количество таких открытий с каждым новым днем будет увеличиваться…
…а согласно расчетам ученых, в нашей Галактике должно быть несколько сотен миллионов нейтронных звезд, часть из которых в обозримом будущем могут обратиться в черные дыры…
Так что с каждым мгновением привычная для нас материя исчезает, и в далеком будущем…
– …она окажется в недрах черных дыр?
– Но только не вся! Не забывай о космических расстояниях, а они ох как велики…
…хотя, с другой стороны, немалая часть материи окажется в их недрах…
…ведь они имеют свойства разрастаться, как в массе, так и в объеме, превращаясь со временем в сверхмассивные черные дыры…
…и самые первые системы кратных звезд, которые когда-то задали направление вращения галактикам, похоже, стали составной частью именно таких монстров…
…и рост таких монстров в массе и объеме потенциально продолжится до тех пор, пока вокруг них не закончится любая материя…
…а они способны поглощать не только межзвездный газ и пыль, но и звезды, и даже себе подобных…
– Ты в этом уверен?
– Тебе ведь известно о квазарах?
– Квазары? Подожди-ка… квазары – это некие квазизвездные источники радиоизлучения малых размеров, которые излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики, правильно? А вот источник их энергии пока еще не известен…
– Научные гипотезы говорят, что особо мощные квазары – это ядра так называемых активных галактик, то есть ядра столкнувшихся галактик, в центре которых располагаются несколько сверхмассивных черных дыр, и которые в гигантских объемах поглощают окружающую их материю…
Допустим, одним из мощнейших источников радиоизлучения в видимой части Вселенной является квазар OJ 287, находящийся от нас на расстоянии… в 3,5 миллиарда световых лет…
…а представляет он собой бинарную систему сверхмассивных черных дыр, большая из которых имеет массу… 18 миллиардов масс Солнца, то есть это масса небольшой галактики, второй же компаньон весит поменьше, как… 100 миллионов масс Солнца…
Другой аналогичный объект, Q0906+6930, также являющийся мощнейшим источником радиоизлучения, имеет вес в 10 миллиардов масс Солнца, а расположен он, согласно вычислениям, в 12,7 миллиардов световых лет, и рассмотреть его структуру вряд ли удастся…
– Ты хочешь сказать, что источниками такого мощного радиоизлучения являются процессы слияния сверхмассивных черных дыр?
– Так, но не совсем…
– А это как?
– Современные ученые считают, что существует несколько причин появления мощных источников радиоизлучения, и, насколько я представляю, не всегда можно разобраться в природе того или иного источника гамма-всплеска…
…поэтому, если ты хочешь в этом разобраться, то следует чуточку вернуться назад…
– Зачем?
– Тебе же, как я вижу, хочется узнать побольше про некоторые скрытые процессы бытия черных дыр? Или я ошибаюсь?
– Нет-нет…
– Ну, так вот…
…ученые утверждают, что сейчас все звездные колыбели вращаются…
…допустим, если говорить о межзвездных газопылевых облаках, то в этом повинны гравитационные поля галактик…
…вернее, гравитационные поля звезд, являющиеся составной частью этих галактик, которые проносятся сквозь или поблизости от них, придавая им каждый раз новый импульс вращения…
…если же говорить о межгалактических облаках, то они, быть может, получили импульс вращения от пролетающих мимо галактик, либо… в момент рождения…
…но как бы то ни было, а судьба таких молекулярных облаков может сложиться по-разному…
…и родится ли одна звезда или целое скопление из любого такого облака – для нас сейчас неважно, для нас важно то, что еще в процессе формирования протозвезды уже вращаются вокруг своей оси…
– Разве это сейчас так важно?
– Очень! Еще до своего рождения протозвезды уже вращаются вокруг своей оси, вращаются вокруг своей оси и новорожденные звезды! А отсюда следует, что поскольку звезды не являются твердыми телами, то при вращении в экваториальной области у них создается выпуклость за счет центробежных сил, отчего экватор звезды вращается несколько с другой угловой скоростью, чем области в высоких широтах…
…а эти различия в скорости вращения внутри звезды играют огромную роль в генерации магнитного поля звезды, которое, в свою очередь, играет важнейшую роль…
– Период вращения Солнца изменяется от 27 суток на экваторе и до 32 суток у полюсов, а магнитное поле…
– Когда звезда сплюснута, ее радиус на экваторе больше, чем на полюсах, поэтому на полюсах ускорение свободного падения больше…
…зато в экваториальных районах звезды центробежная сила отталкивает массу от оси вращения, вследствие чего вещество там становится менее плотным и более холодным, а разница в температуре может составлять несколько тысяч градусов…
– Зачем ты все это говоришь?
– Еще немного официальной науки! Итак, есть мнение, что большинство массивных звезд, в отличие от Солнца, вращаются довольно быстро вокруг своей оси…
…и, например, некоторые звезды настолько быстро крутятся, что по форме они, как уверяют ученые, похожи на сплюснутую с двух сторон тыкву…
…притом максимальная скорость вращения, как сейчас утверждают, наблюдается у молодых звезд, поскольку с возрастом, как считается, из-за уменьшения массы, снижается скорость их вращения вокруг своей оси…
…правда, поговаривают, что снижается только скорость вращения внешних слоев звезды, ядра, сохраняя импульс вращения, вертятся с первоначальной скоростью…
…а сброс внешних слоев придает им новый мощный импульс ускорения вращения…
Но чтобы ни творилось там с ними, а когда ядра проэволюционировавших сверхмассивных звезд оголяются, скорость их вращения колоссальна…
…например, ученые утверждают, что некоторые новорожденные нейтронные звезды, так называемые магнетары, диаметром где-то в двадцать километров, делают около шестисот оборотов в секунду вокруг своей оси…
– Ух…
– …так что, какой силой обладают магнитные и гравитационные поля таких космических объектов – сложно вообразить…
…но ты представь, что вот такой космический волчок проходит сквозь сброшенную им же планетарную туманность… или даже через какое-то межзвездное газопылевое облако, в котором материи в переизбытке, например, в ядре какой-либо зрелой галактики…
– И что это нам даст?
– О! Проходя сквозь свою же планетарную туманность или через такое богатое материей газопылевое облако вокруг нашего волчка, в его экваториальной зоне из этой материи образуется аккреционный диск…
…чем-то схожий с кольцами Сатурна, который только будет вращаться на запредельных скоростях, и частицы которого будут выпадать на поверхность нашего объекта во много крат быстрее, чем на Сатурн…
…и частицы этого аккреционного диска будут падать на поверхность нашего объекта не под прямым углом, а по спирально-круговой орбите, то есть на орбите они будут несколько задерживаться…
…поэтому пока этот аккреционный диск будет существовать, он, если можно так сказать, будет расслаиваться, и чем ближе слой к нашему объекту, тем будет выше его скорость…
…и поскольку в этих аккреционных дисках частицы материи сталкиваются, то вещество аккреционного диска вокруг вырожденных объектов сильно разогревается, отчего сам диск будет излучать тепловую энергию…
А теперь самое главное: если материи в переизбытке, а такое случается, то в экваториальной области нашего объекта часть вещества аккреционного диска отталкивается…
…и благодаря взаимодействиям гравитационного и магнитного поля какая-то часть отталкиваемой в экваториальной зоне материи переносится в высокие широты…
…а прямо в точках магнитных полюсов этого объекта, то есть там, где магнитная стрелка располагалась бы строго по вертикали, или, если по-другому, точно вдоль оси вращения нашего искомого объекта, часть непоглощенной в экваториальной зоне материи выбрасывается в виде потоков частиц…
– Мне это неинтересно…
– Неинтересно? Тогда давай по-другому: попробуй представить какую-либо сверхмассивную звезду на завершающей стадии ее эволюции…
…и будет лучше, если ты представишь какого-нибудь гипергиганта, в центре которого уже сформировалось довольно массивное железное ядро…
– Но ты же говорил…
– Что происходит с ней в тот момент, когда внешние слои этой звезды из-за нехватки энергии, выделяющейся при термоядерном синтезе, обрушиваются к центру? Думаю, что в это мгновение железное ядро этой звезды еще не становится черной дырой…
Откуда в этом такая уверенность? Гибель сверхмассивных и гипермассивных звезд всегда сопровождается жутко яркой вспышкой и выбросом очень большого количества материи, материи внешних слоев…
…а это может говорить о том, что значительная часть внешних слоев звезд наталкивается на сверхплотное вырожденное ядро, от которого она отскакивает и оказывается в пространстве…
…и если бы в тот момент в центре умирающих сверхмассивных и гипермассивных звезд были уже черные дыры, то никаких сверхъярких вспышек и выброса колоссального количества материи не было бы, такие звезды просто-напросто исчезали бы в одно мгновенье…
– Ну и к чему эти мелочи? Разве есть разница…
– Есть! Силовые поля черных дыр, кварковых и нейтронных звезд несравненной мощности, поэтому, когда гибнут сверхмассивные и гипермассивные звезды, их сброшенные внешние слои еще не успевают далеко разлететься…
…и какая-то часть этой сброшенной раскаленной материи становится аккреционным диском, который образуется вокруг оголенного ядра погибшей звезды…
…и это оголенное ядро вырожденной звезды, будь это новорожденная черная дыра, кварковая или нейтронная звезда, поглощает какую-то часть этого аккреционного диска в течение нескольких секунд…