Чёрных дыр (ЧД) на небе много. Подавляющею часть из них мы не видим. Правильнее сказать так: мы можем видеть только следы от чёрных дыр, да и то далеко не всегда. В качестве следов обычно имеется в виду излучение, исходящее от падающего на неё газа. Но лучше разобраться с самого начала.
Чёрная дыра это очень компактное тело, сжатое до такой степени, что сила гравитации на его поверхности не позволяет преодолеть эту силу. Даже кванты света, которые имеют максимально высокую во всей Вселенной скорость 300000 км/с, не могут покинуть гравитационного влияния ЧД.
Радиус ЧД зависит от массы – чем больше масса, тем пропорционально больше её радиус. Поверхность с таким радиусом называется горизонтом событий – ничего не способно выйти за её пределы.
Для примера, радиус ЧД с массой, равной массе Земли, будет около одного сантиметра. Радиус чёрной дыры звезды с массой Солнца равен около 3 км.
Существует несколько видов чёрных дыр. Наиболее известны чёрные дыры звёздной массы – они происходят в результате взрывов звёзд в виде сверхновых. Такие звёзды имеют массы, превышающие 25 масс Солнца. Основная массы звезды уносится взрывом, лишь сравнительно небольшой остаток вещества – несколько солнечных масс, – сжимается до состояния чёрной дыры. Минимальная масса ЧД по оценкам равна 3 массам Солнца.
Другой класс чёрных дыр – сверхмассивные ЧД. Они образуются в основном в результате поглощения обычных звёзд зародышевой чёрной дырой, и по прошествии долгого времени, после поглощения многих звёзд, зародышевая чёрная дыра становится сверхмассивной. Массы таких звёзд изменяются в пределах от 100 тысяч до 40 миллиардов масс Солнца.
Мы остановимся пока на чёрных дырах звёздной массы.
Понятно, что коль скоро чёрная дыра по определению удерживает своей гравитацией даже свет, то видеть непосредственно её мы не можем. Мы видим только то, что на неё падает. Это какое-то тело, способное испустить свет и послать нам сигнал о происходящем прежде, чем ЧД его “проглотит”.
Это должно быть не позднее, чем это тело приблизится к “поверхности” ЧД на расстояние, примерно в 2.5 раза больше её радиуса. При этом “сигнал” оказывается довольно мощным. При падении на ЧД около 10% массы падающего вещества превращается в энергию. Как правило, мы видим именно это – излучение, испускаемое веществом, перед тем, как оно будет поглощено чёрной дырой.
Обычно процесс выглядит так: вблизи дыры вращается “спутник” – другая звезда, с которой ЧД срывает атмосферу и поглощает её. Поскольку звезда–спутник вращается, то падающий газ собирается во вращающийся диск и продолжает падать на ЧД. При этом газ нагревается – его кинетическая энергия, полученная за счёт падения, увеличивается и превращается в тепло из-за трения. Схематически такой диск представлен на рис. 1.
В зависимости от массы ЧД и количества поглощаемого ею вещества, температура в газовом диске достигает от 1 млн до 100 млн градусов. При этом более холодные диски вокруг ЧД могут светить в ультрафиолетовом диапазоне, а более горячие – в рентгеновском и гамма диапазонах. Их светимость, то есть, количество излучаемой ими энергии, может варьироваться от десятых долей до десятков тысяч светимости Солнца.
Самое главное, что их отличает на небе от звёзд, это их спектры. Формы спектров чёрных дыр и обычных звёзд сильно отличаются.
Это позволяет при наблюдениях различать звёзды и чёрные дыры. Основной признак это мощное рентгеновское излучения. Как только на небе удаётся увидеть мощный рентгеновский источник, с определенной вероятностью это может быть чёрная дыра. Но не всегда. Часто это может оказаться и нейтронной звездой, и дальше требуются дополнительные кропотливые исследования.
Это одна из причин, затрудняющих поиск чёрных дыр. Сейчас в Галактике уверенно известно около 20 чёрных дыр, хотя их в действительности существенно больше. Поэтому и подсчёт их количества в нашей Галактике и во Вселенной в целом – непростая задача. В таких случаях помогают другие подходы.
Простым и достаточно надёжным методом может быть подсчёт звёзд, взрывы которых приводят к образованию ЧД.
Известно, что всего в Галактике около 300 миллиардов звёзд. Из них всего 0.05% звёзды с массами больше 25 масс Солнца. Поэтому в результате взрыва этих звёзд за всё время жизни Галактики образуется примерно 150 миллионов чёрных дыр звёздной массы.
Поскольку масса каждой из них составляет не менее 3 и, по-видимому, не более 10 масс Солнца, то полная масса, которая в них заключена равна около 0.15–0.45 % массы всех звёзд в Галактике. Это существенно больше, чем масса сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики.
Подсчитывать сверхмассивные чёрные дыры в определённом смысле проще – они находятся в центрах галактик и их видно. Остаётся посчитать все галактики во Вселенной. Но это уже другая история.
