Астрономы разгадали тайну черных дыр в космосе

Лента.ру

черная дыра

Сверхмассивная черная дыра в центре галактики. Как влияет ее гравитация на орбиты двойных систем, находящихся в непосредственной близости? Ответ на этот вопрос представили американские астрономы.

Об этом пишет Лента.ру

Вообще-то, этот ответ известен уже более 50 лет и носит название механизма Козаи-Лидова в честь советского механика Михаила Лидова и японца Есихиде Козаи, еще в 1962 году независимо друг от друга решивших такую задачу. Правда, применительно к спутникам планет и астероидам. В новой же работе рассматриваются, в первую очередь, сливающиеся черные дыры (ЧД), что особенно актуально после открытия LIGO.

Механизм Козаи-Лидова приводит к тому, что орбита звезд двойной системы в присутствии третьего тела циклически деформируется, становясь то более вытянутой, то, наоборот, более округлой. А на очень вытянутой орбите звезды могут пройти очень близко друг от друга. Скажем, кометы, отличающиеся вытянутыми орбитами, способны так сблизиться с Солнцем, как ни одна из планет. В двойной системе подобное сближение может закончиться столкновением.

Американцы промоделировали эволюцию системы из двух черных дыр звездных масс, находящихся в пределах одного парсека от другой, тяжелой, ЧД с массой до 104 солнечных. Это не так уж и много — ЧД в центре нашей Галактики в 400 раз массивнее. Речь шла об обычной черной дыре промежуточной массы. Выяснилось, что такая двойная система может слиться уже за несколько миллионов, а то и несколько сотен тысяч лет. То есть относительно близкая массивная ЧД приближает слияние, и в центрах галактик такие процессы идут быстрее. В целом, по оценкам авторов исследования, потенциально мы можем рассчитывать на сотню таких событий ежегодно.

Кроме того, если применить те же результаты к другому типу двойных систем — состоящих из не очень массивной обычной и нейтронной звезд, то становится понятным обилие таких систем в центре нашей Галактики. Когда в таких парах нейтронная звезда подходит близко к своему компаньону (то есть ее орбита достаточно вытянута), то она перетягивает на себя вещество с поверхности обычной звезды. Выпадая на нейтронную звезду, вещество разогревается и излучает в рентгеновском диапазоне. Поэтому такие системы получили название рентгеновских двойных. Недавние наблюдения показывают, что в центре Млечного Пути их несколько больше, чем мы ожидали. Новые результаты помогают продвинуться в решении этой проблемы, если допустить, что орбиты маломассивных рентгеновских двойных дополнительно вытянуты именно благодаря механизму Козаи-Лидова под воздействием нашей сверхмассивной ЧД.

Слияния слияниями, но основной механизм обогащения межзвездной среды атомами самых различных элементов — это взрыв сверхновой звезды. Когда массивная звезда только образуется, количество тяжелых элементов в ее составе (а для астрофизиков это все, что тяжелее гелия) очень мало. Но на протяжении последующих миллионов лет в ней идут процессы синтеза элементов посредством многократного соединения более легких ядер. Так образуются жизненно необходимые углерод и кислород, а также железо. В конце, когда легких ядер становится недостаточно, синтез прекращается, происходит взрыв (в ходе которого включаются механизмы синтеза еще более тяжелых элементов, таких как никель или свинец), и все это со скоростью десятков тысяч километров в секунду выбрасывается в пространство. Так что взрыв сверхновой сильно загрязняет природу. Правда, потом из выброшенного вещества образуются новые звезды, планеты, а то и разумные существа.

Помимо прочих, сверхновая поставляет и немало радиоактивных элементов. Время их жизни ограниченно (скажем, несколько миллионов лет) — они полностью распадаются, превращаясь в более устойчивые изотопы. Один из них — изотоп железа 60Fe. В нем 26 протонов и 34 нейтрона, а период его полураспада — 2,5 миллиона лет. За это время половина атомов 60Fe превращается в никель, ненадолго задерживаясь в виде кобальта.

Разумеется, на Земле уже давно не осталось тех атомов 60Fe, которые когда-то попали в молекулярное облако — предшественник Солнечной системы — от одного из «родительских» взрывов сверхновых. Это было более 5 миллиардов лет назад, и все они давно распались. Но в природе этот изотоп 60Fe существует. Своим происхождением он обязан космическими лучам — потокам энергетичных заряженных частиц (тех же протонов), попадающих в атмосферу и иногда даже долетающих до поверхности Земли из космоса. Кстати, по большей части они также возникают в ходе взрыва сверхновых.

Альфа-частица (ядро атома гелия), сталкиваясь с ядром 56Fe — самым распространенным изотопом железа, вполне может дать радиоактивный 60Fe. На самой Земле или на поверхности метеорита, который потом принесет этот изотоп на Землю. Поэтому его количество по умолчанию должно согласовываться с количеством регистрируемых космических лучей. Но на практике это не так.

Около двадцати лет назад геологи заметили, что содержание 60Fe в породах дна Тихого океана выше того, которое можно было бы объяснить космическими лучами. Возникла гипотеза, что около двух миллионов лет назад Земля, как и вся солнечная система, пережила «столкновение» с выбросом от взрыва не очень далекой сверхновой. Проще говоря, где-то рядом бомбануло, и нас забрызгало. Если до поверхности Земли из-за плотной атмосферы долетают немногие атомные ядра, то на поверхности космического тела, лишенного атмосферы, их должно быть гораздо больше. Вывод — для проверки гипотезы необходимо изучить изотопный состав лунного грунта на предмет наличия в нем атомов 60Fe.

Что, собственно, и сделали авторы работы, опубликованной в Physical Review Letters. Исследование образцов, доставленных на Землю экипажем «Аполлона-12», а также нескольких железных метеоритов в качестве опорных образцов, действительно показало, что содержание 60Fe на поверхности нашего спутника примерно в десять раз превышает его «естественный» уровень, определяемый космическими лучами. В общем, идея о взрыве сверхновой, «эхо» от которого дошло до нас 1,7-2,5 миллиона лет назад, пока представляется наиболее продуктивной. Это «эхо» повлияло и на ближайшие окрестности Солнца. Что, по мнению авторов, следует учитывать в исследованиях локальной межзвездной среды.




Комментирование закрыто.