И кое-что о вращающихся черных дырах

Может быть, вы помните, что я, рассказывая о черных дырах https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19109.html, упоминал, что для вращающихся черных дыр (а все черные дыры, разумеется, вращаются, то есть, имеют свой угловой момент) теория предсказывает два варианта конфигурации - медленно вращающиеся черные дыры и быстро вращающиеся черные дыры.
Границей, определяющей разницу между медленным и быстрым вращением, является некая величина углового момента (предельный момент Керра), зависящая только от массы черной дыры - при меньшем моменте черная дыра имеет вполне согласующуюся со здравым смыслом конфигурацию, при большем - выглядит суперэкзотическим кольцом, служащим воротами из привычного нам мира в мир с отрицательной гравитацией, обратным течением времени и сменой зарядов на противоположные.

Там же я говорил о том, что, судя по всему, физическое "прохождение через кольцо" невозможно, а наблюдения показывают, что существующие черные дыры имеют, к счастью, моменты импульса, меньшие предельного.

А теперь я замечу, что есть одно "но". Изучение очень массивных звезд - потенциальных кандидатов в будущие черные дыры - уже много лет показывает, что большинство из них вращается достаточно быстро. Причин тому несколько:
- во-первых, массивные звезды обычно являются одиночными и наследуют весь начальный момент импульса протозвездного облака (или большую часть этого момента); кое-что об этом сказано здесь: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/22749.html;
- во-вторых, самые массивные звезды могут образовываться при слиянии двух звезд меньшей массы (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/244604.html) - а уж тут, разумеется, звезда приобретает суммарный орбитальный момент слившейся пары. То есть, вращается очень быстро.
И изучение вращения таких звезд показало, что если после взрыве сверхновой оставшаяся от такой звезды черная дыра унаследует долю момента звезды-прогенитора, пропорциональную доле унаследованной массы, то во многих случаях в результате момент черной дыры превысит предельный момент Керра.

Неприятно. Во-первых, где они, такие супер- и гиперэкзотические "голые кольца" без горизонта событий и с феноменальными физическими свойствами? Во-вторых, признаемся честно, лучше бы их не было. Для физики, астрономии, наблюдаемого мира и нашего с вами психического здоровья.

К счастью, при аккуратном анализе таких звезд до и во время взрыва сверхновой оказалось, что все в порядке. Спасает тот факт, что заезда не только вращается, но и состоит из заряженных частиц, а стало быть, обладает магнитным полем. И вот за счет мощного магнитного поля ядро звезды автоматически будет очень сильно раскручивать, особенно, в процессе взрыва, точнее, коллапса, ее внешние области, щедро делясь с ними своим моментом импульса (и даже весьма щедро - отдавая до 99% своего момента).

В результате даже у самой быстровращающейся массивной звезды ядро в момент гравитационного коллапса сохраняет момент, на два порядка меньший, чем доля, соответствующая его массе. А звезд, которые вращаются так быстро, что даже этот, уменьшенный в сотню раз момент, превосходил бы предельный момент Керра, просто не бывает - при таких скоростях вращения скорости материала на их экваторах многократно превосходили бы скорость убегания, так что звезда просто сбросила бы центробежными силами большую часть вещества.

Так что к счастью, сверхпредельные керровские дыры нам не грозят.

И все о том же...

Чем отличаются новость от сенсации а они обе - от явного фейка?
"Стая собак загнала на вершину дерева перепуганного домашнего котенка, и несчастное животное снимали с дерева прибывшие по вызову пожарные" - это новость.
"Домашний котенок загнал на вершину дерева перепуганную стаю собак, и несчастных животных снимали с дерева прибывшие по вызову пожарные" - это сенсация.
"Домашний котенок загнал на стаю собак перепуганное дерево, и несчастное растение снимали с собак прибывшие по вызову пожарные" - это явный фейк.

Собственно, это я размышляю по поводу восторженного вопля потрясенного до глубины души журналиста: "Тяжелые металлы на Земле появились в результате взрыва сверхновой. В открытии, которое может перевернуть наше понимание происхождения таких тяжелых элементов Земли, как золото и платина, новое исследование физика из Университета Гвельфа предполагает, что большинство из них было извергнуто из-за взрыва звезды далеко в пространстве и давно по времени на нашу планету".

Понятно, что собственное понимание журналиста эта информация могла перевернуть (что бы это ни означало) - но вообще-то я пытаюсь понять: это новость, сенсация или фейк?

С одной стороны, в общем-то, уже много десятилетий известно, что все тяжелые элементы Вселенной типа золота и платины (да и вообще, все стабильные изотопы с атомным номером, существенно превосходящим 26 (атомный номер железа)) появляются только при взрывах сверхновых - другого способа их производства Вселенная не изобрела. Так что в этом смысле фраза журналиста - это новость. Может быть, даже, выражаясь современным русским языком, баян (он же боян. Соловей старого времени).

С другой стороны, журналист говорит про "большинство из них". Получается, все же меньшинство получилось не при взрыве сверхновой, а как-то иначе. А это уже смахивает на сенсацию. Стая собак жалобно погавкивает с дуба. А может, даже на фейк - старый дуб млеет и колышется, испуганно тряся листьями со спины стаи собак.

Остается читать дальше. И вот тут все оказывается куда более прозаичным:
Около 80 процентов тяжелых элементов во Вселенной, вероятно, образовались в коллапсарах - редкой, но богатой элементами форме взрыва сверхновой из-за гравитационного коллапса старых массивных звезд, в 30 раз тяжелее Солнца, считает профессор физики Даниэль Сигел. Этот вывод опровергает широко распространенное мнение, что эти элементы в основном происходят от столкновений между нейтронными звездами.

Ах, вот оно как, оказывается. Что такое коллапсар, мы знаем https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html. И что он взрывается гиперновой, порождая уйму тяжелых элементов - тоже знаем https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5844.html. Заодно он порождает длинный гамма-всплеск https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/9114.html.
Что слияния нейтронных звезд порождают уйму тяжелых элементов (а заодно и короткий гамма-всплеск - там же, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/9114.html) мы тоже знаем. Только вот в чем беда - они тоже всегда сопровождаются взрывом сверхновой (только другого рода). И это всем известно - вспомним, как наблюдали столь нашумевшее событие NS-NS GW170817 (гравитационные волны), оно же GRB 170817A (короткий гамма-всплеск) и оно же - взрыв сверхновой AT 2017gfo (изначально SSS17a) https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/145611.html, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/150086.html. Но это знаем мы с Вами - а вот журналист, взявшийся писать "о космосе", того, что знают читатели этого журнала, не знает.

А ведь на самом деле речь в том исследовании, которое увлекло воображение журналиста, идет о том, что был модельно рассчитан выход тяжелых элементов при взрыве коллапсара и указано, что количество тяжелых элементов, рожденных при таких взрывах сверхновых, может превосходить количество таковых, рожденных при взрывах сверхновых, вызванных слияниями нейтронных звезд. И все.

Так что все же новость. Но интересная.

Кое-что интересное...

Есть в 2700 световых годах от нас рассеянное звездное скопление https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/213159.html М67.
Скопление интересное - большое (по массе - более тысячи масс Солнца) и плотное (для рассеянного скопления), хотя диаметром невелико - половина звезд сосредоточена в объеме диаметром всего 20 световых лет. Настолько большое и плотное, что все никак не рассеется, несмотря на свой почтенный возраст.

Возраст звездных скоплений, замечу, измерить легко.

Можно просто - по сравнению светимости и цвета звезд с характеристиками по диаграмме Герцшпрунга-Рассела https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/4191.html с соответствующим учетом их наблюдаемой металличности https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5209.html: мы же помним, что чем массивнее звезды, тем меньшее время они проводят на главной последовательности диаграммы https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/4719.html, а чем выше металличность, тем быстрее звезда эволюционирует, и действующие модели звезд это достаточно точно учитывают.

Можно - другими методами определения возраста звезд, например, гирохронологическими https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/208591.html.

Лучше всего - сочетанием оценки возраста несколькими методами.

А можно измерить возраст звездного скопления глобально, для всего массива звезд скопления, чтобы не впасть в ошибку, посчитав звезды, приблудившиеся в скопление. но родившиеся в другое время. Классический метод общего определения - по положению точки поворота главной последовательности (для нее есть стандартная аббревиатура MSTO, main sequence turn-off), опять же, с поправкой на металличность.
Суть метода - использование все той же диаграммы "цвет-светимость". Главная последовательность скопления классического вида иметь не будет - если звезды скопления образовалось почти одновременно, значит, в старом скоплении самые массивные звезды уже вымерли, а менее массивные начали сходить с главной последовательности и уходить по диаграмме в соответствии со своими эволюционными трекам направо и вверх.
Если измерить минимальную массу звезд, сошедших с главной последовательности (это и есть определение точки поворота главной последовательности), или, если отдельные звезды видны плохо, просто определить их цвет в точке поворота (а мы же помним, что цвет и масса звезды главной последовательности строго связаны (с учетом металличности, конечно!), то, зная, в каких возрастах звезды разной массы начинают сходить с главной последовательности (для различной металличности), можно определить возраст звезд, начавших на диаграмме поворот направо (то есть, начавших увеличивать свой размер, снижать температуру и увеличивать светимость, см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/4395.html, то есть, переходить на стадии субгигантов и красного сгущения) Этот возраст равен возрасту скопления, ибо все его звезды, повторюсь, появились на свет почти одновременно.
Соответственно, по цвету звезд главной последовательности скопления (до точки поворота) можно узнать его возраст.

Если же скопление достаточно старое, насчитывающее несколько миллиардов лет, и из-за влияния межзвездной среды истинный цвет MSTO искажен, нужно вначале измерить разность цветов MSTO и основания (начала) ветви красных гигантов (то есть, построить для скопления его собственную диаграмму Герцшпрунга-Рассела, найти на ней основание ветви красных гигантов, измерить интегральные показатели цвета (U-B и B-V, см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3650.html) для основания ветви и для точки MSTO и вычесть одно из другого). Для звезд достаточно высокой металличности цвет в начале стадии красного гиганта почти не зависит от массы (для металличности Солнца показатели цвета основания ветви красных гигантов примерно равны U-B=0.75, B-V=0.9). Таким образом узнается истинный цвет точки поворота.
А если звезды имеют низкую металличность - еще проще: на вершине ветви красных гигантов они имеют одну и ту же светимость: абсолютная звездная величина (см. там же, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3650.html) равна –4,0±0,1. Да и при большей металличности разброс светимостей невелик, и светимость в основном определяется не массой, а металличностью - не зря следующая стадия после красных гигантов именуется именно асимптотической ветвью гигантов. Найдите в скоплении звезды в момент их перехода на асимптотическую ветвь гигантов, определите по спектру их металличность, измерьте видимую звездную величину - получите расстояние.

И вот оказывается, что возраст скопления М67 - около пяти миллиардов лет. Это - одно из самых старых известных рассеянных скоплений.
Вернее, образовываться оно начало примерно пять миллиардов лет, и тянулся это процесс относительно долго - последние звезды скопления формировались уже менее четырех миллиардов лет назад.

А к чему я рассказываю об этом скоплении - только лишь к тому, что недавно посчитали возможную динамику звезд в этом скоплении с момента его образования. И обнаружилась интересная вещь: теоретически, значительная часть солнцеподобных звезд, рожденных в нем, могла, покинув его за счет обмена импульсами с другим звездами скопления при гравитационном взаимодействии, подняться на галактические орбиты. И что интригует - эти орбиты в основном должны быть подобными орбите Солнца.
Кстати, значительная часть - это много: по расчету скопление покинуло около девяноста процентов изначально родившихся в нем звезд, в основном, разумеется, периферийных.

И возраст скопления, напомню, совпадает с возрастом Солнца. И Солнце согласно моделям динамики формирования Солнечной системы образовывалось именно на периферии своего скопления и должно было покинуть его в числе первых.

Это, конечно, не означает, что М67 достоверно является нашей прародиной, но теперь этого исключать никак нельзя.

Рентгеновские барстеры

Представьте себе нейтронную звезду в достаточно тесной двойной системе, одним из компонентов которой является "нормальная" звезда - или ушедшая с главной последовательности и начавшая расти в размерах https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/4191.html, или просто теряющая вещество под воздействием гравитации компаньона.
Соответственно, вокруг нейтронной звезды начинает формироваться аккреционный диск из потерянного компаньоном вещества.

Как Вы помните, похожим способом формируются микроквазары https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/71122.html - только у них аккреция происходит на черную дыру звездной массы.
А принципиальное отличие аккреции на черную дыру и на нейтронную звезду - в том, что аккрецирующему на нейтронную звезду веществу падать некуда - ему, в принципе, дорога открыта под горизонт событий (физические тонкости не рассматриваем) - а веществу, аккрецирующему на нейтронную звезду, есть, куда упасть. На ее поверхность. Вот туда оно рано или поздно и падает - и размазывается по поверхности тонким слоем. И накапливается. И накапливается, и накапливается, и накапливается... по мере накопления водорода на поверхности, в нем растут температура и давление - и в конце концов, все заканчивается термоядерной реакцией детонационного типа - сиречь, термоядерным взрывом.
Словом, все это очень напоминает новую звезду - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/6508.html - только дело происходит не на белом карлике, а на нейтронной звезде, энергия излучаемых частиц куда выше - а полная энергия куда меньше, на шесть порядков, потому что при тех давлениях и плотностях, которые имеют место на нейтронной звезде, много вещества до взрыва просто не накопится - взорвется раньше.

В результате взрыв наблюдается как достаточно мощная вспышка рентгеновских лучей, развивающаяся за секунды, а то и меньше, затухающая за десятки секунд. Если интересно - полная энергии вспышки находится в диапазоне, как правило, недельной-месячной энергии, излучаемой Солнцем.
Потом все затихает - и начинается новое накопление вещества на поверхности нейтронной звезды. До следующей вспышки.

Такие источники периодических рентгеновских вспышек именуются рентгеновскими барстерами.

Четкого периода вспышек у барстеров нет, но в любом случае он зависит от интенсивности аккреции и может для разных барстеров составлять в среднем от нескольких часов (а то и десятков минут) до нескольких дней.

И еще о рентгеновских вспышках

Если Вы прочитали про рентгеновские барстеры - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/249466.html - имейте в виду, что это - не единственные периодические источники рентгеновского излучения. Черные дыры тоже так умеют, причем если период там намного больше - составляет годы - то и энергия вспышки куда выше.

Пример - микроквазар https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/71122.html V404 Лебедя. Он отличается буйным нравом - аккреция у него интенсивная, и периодически в аккреционном диске вокруг черной дыры плотность сорванного с соседней звезды вещества возрастает настолько, что в нем начинают протекать термоядерные реакции - и происходит детонационный термоядерный взрыв (процесс, очень похожий на взрыв новой звезды, см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/6508.html, только детонация происходит не на поверхности белого карлика, а в объеме аккреционного диска).

Сам микроквазар, кстати, неплохо изучен. Он состоит из черной дыры массой около 11 солнечных и меньшего компонента - субгиганта массой около 70% солнечной и спектрального класса К0 IV (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3951.html). Период обращения в системе - 6,5 суток.
Расстояние от нас до V404 Лебедя составляет примерно 7800 световых лет.

Стоит заметить, что исследования V404 принесли интересный результат. Поскольку ось вращения черной дыры, разумеется, смещена относительно центра масс двойной системы, аккреционный диск вокруг черной дыры является немного смещенным относительно ее полярной оси. В результате черная дыра, закручивая пространство вокруг себя, закручивает вместе с ним внутреннюю (диаметром порядка нескольких тысяч километров) область аккреционного диска, "отрывая" ее от остальной смещенной относительно нее части диска (а весь аккреционный диск в системе имеет диаметр порядка десяти миллионов километров) и деформируя в результате сам диск. В результате начинается прецессия джета микроквазара, что придает ему спиралевидную форму.

Собственно, это очередное и весьма крупное по масштабу прямое наблюдение релятивистского эффекта Лензе-Тирринга - увлечения (и закручивания) пространства (и инерциальной системы отсчета) гравитационным полем вращающегося тела.