В этом маленьком обзоре переплетены две темы: 1) что могут увидеть уже действующие и готовящиеся к запуску рентгеновские обсерватории, 2) какие эффекты можно обнаружить в рентгеновских звездных источниках с черными дырами.

В данной работе проведен анализ асимметричного профиля рентгеновской К-альфа линии железа по данным XMM-Ньютон (76000 c) и RXTE (9000 с) в самых высоких состояниях за 2002-2003 годы. Эта линия образуется во внутренних частях аккреционного диска. Наилучшая самосогласованная модель соответствует вращающейся черной дыре с a>0.8-0.9. (а - безразмерный угловой момент черной дыры: a=cJ/GM².)

Авторы рассчитали как закручиваются магнитные поля, вмороженное в падающее на вращающуюся черную дыру вещество.

Вариант статьи с картинками высокого разрешения можно посмотреть на сайте авторов.

Автор показал, что для объяснения очень низкой наблюдаемой светимости центральной черной дыры нашей Галактики (объекта Sgr A*) достаточно части звездного ветра от массивных ближайших к черной дыре звезд. Диск вокруг черной дыры не образуется - захватывается только вещество движущееся почти радиально и захватываемое черной дырой.

Подробная аналитическая(!) теория того, как аккреционные диски с магнитным полем порождают джеты. Рассмотрены следующие вопросы:

• магнитные аккреционно-эжекционные структуры;
• магнитные джеты;
• джеты, созданные дисками;
• автомодельные решения;
• "холодные" и "теплые" конфигурации;
• наблюдательные предсказания.

Напомним, что еще несколько лет назад элементом стандартной картины были три типа черных дыр: первичные (наиболее многочисленные на сегодняшний день должны иметь массу порядка 10¹⁵ г.), оставшиеся от ранней эпохи жизни Вселенной, звездные (массой порядка 5-10 масс Солнца), образовавшиеся из массивных звезд в результате коллапса, и сверхмассивные (с массами от 10⁶ до 10¹⁰ масс Солнца). В последнее время появляются различные указания на существование черных дыр промежуточных масс в сотни масс Солнца. Одними из кандидатов в такие объекты являются т.н. сверхмощные (Ultraluminous) рентгеновские источники.

В данной работе авторы исследовали спектр одного из таких источников. Одна из компонент спектра интерпретируется как вклад холодного (по меркам аккреции на компактные объекты) диска с температурой 0.17-0.29 кэВ. Масштабирование свойств дисков известных галактических кандидатов в черные дыры приводит к следующему результату: мы видим аккрецию на черную дыру с массой порядка 1000 масс Солнца.

Конечно, это модельный результат. Необходимы дальнейшие исследования. Но так или иначе, а свойства источника X-9 в M81 являются серьезным аргументом. Сторонникам анизотропного излучения придется потрудится, чтобы объяснить данные наблюдения без привлечения столь массивной черной дыры.

Недавно в СМИ (включая Scientific American) прошла новость (поданная в несколько преувеличенном ключе) о работе Мазура и Моттолы по альтернативе черным дырам. Авторы предложили модель, в которой благодаря фазовому переходу в состояние весьма специфического конденсата образуется объект без сингулярности, горизонта событий и т.п. Также авторы полагают, что они решили тем самым проблему большой энтропии черных дыр. Сами Мазур и Моттола рассмотрели лишь тепловую устойчивость найденного ими решения. В данной работе Виссер и Вилтшир рассматривают динамическую устойчивость решения, подобного полученному Мазуром и Мотоллой.

Из центров радиогалактик в противоположных направления выбрасываются два пучка релятивистских частиц, которые на некотором расстоянии от галактики тормозятся и образуют видимые в радиодиапазоне "радиоуши". Одна из теорий полагает, что подобная активность является результатом слияния в центре галактики двух сверхмассивных черных дыр неравной массы. В данной статье подробно рассмотрен случай галактики с которой связан радиоисточник B1834+620.

В принципе звезды могут иметь очень большую массу - до миллиона масс Солнца и выше. Давление в этих звездах определяется излучением, их время жизни перестает зависеть от массы и составляет около миллиона лет. Такие звезды не совсем устойчивы: они пульсируют, интенсивно теряют вещество в виде ветра, но за время жизни звезды ее масса уменьшается незначительно. Жизнь подобной сверхмассивной звезды заканчивается ее коллапсом и образованием сверхмассивной черной дыры. Такие идеи были популярны во второй половине 60-х годов (тогда сверхмассивные звезды называли "магнитарами"). Сверхмассивными звездами тогда пытались объяснить феномен квазаров.

Сегодня, с обнаружением в центрах галактик (даже на больших z) большого числа сверхмассивных черных дыр, интерес к сверхмассивным звездам возродился снова. О результатах моделирования сверхмассивных звезд и их коллапса в рамках общей теории относительности рассказывает Стюарт Шапиро.

По данным Слоановского цифрового обзора неба получены вириальные оценки масс черных дыр более чем в 12000(!) квазаров с 0.1<z<2.1. Эти массы лежат в интервале от 10⁷M_o до 3x10⁹M_o, т.е. не превышают массы самых больших черных дыр, наблюдаемых в центрах галактик. Более того, болометрическая светимость квазаров не превосходит эддингтоновский предел, соответствующий оценкам масс находящихся в них черных дыр.

Отдельное исследование выборки квазаров с 1.9<z<2.1 показало, что большинство черных дыр с M>3x10⁸M_o существовало уже тогда.

Распределение 1069 квазаров c 1.9<z<2.1 по абсолютной звездной величине. Черная гистограмма показывает аналогичное распределение подмножества квазаров, чья масса превышает указанный на рисунке порог.

Мы уже писали о звездах вблизи центральной черной дыры нашей Галактики (см. например здесь). Однако, гравитационное поле черной дыры отличается от поля материальной точки или сферически-симметричного тела, оно описывается метрикой Шварцшильда (а если черная дыра вращается, то метрикой Керра). Ускорения, с которыми движутся звезды, будут несколько отличаться от Кеплеровских значений, причем тем сильнее, чем ближе звезда находится к черной дыре. Это будет проявляться в изменениях лучевых скоростей звезд - очень точно измеряемой наблюдательной величины. Для звезд приближающихся к черной дыре на расстояние порядка 100 астрономических единиц отклонения могут составить несколько процентов. Эффекты такой величины можно будет обнаружить всего через несколько лет наблюдений.

Статья примерно на ту же тему, что и предыдущая astro-ph/0309716 (один из авторов - тоже).

Вокруг центральной черной дыры Млечного Пути (объекта Sgr A*) летают звезды с массами 10-20 M_o. Чем заканчивается их эволюция? Взрывами сверхновых с образованием нейтронных звезд, которые первые несколько миллионов лет проявляют себя как радиопульсары. А радиопульсары - самые точные часы в космосе!

Оценки показывают, что вокруг Sgr A* должно быть около 1000 радиопульсаров с периодом обращения меньшим 100 лет. Некоторые из них можно будет обнаружить на частотах ~10 ГГц, где малы эффекты межзвездного рассеяния. Если это удастся сделать, то мы очень много узнаем о нашей черной дыре, включая эффекты связанные с ее вращением.

Наблюдения с борта рентгеновского спутника RXTE обнаружили высокочастотные квазипериодические осцилляции (QPO) у ряда аккрецирующих рентгеновских систем с черными дырами. По крайней мере у двух систем колебания происходят на двух частотах, относящихся как 2:3. Для объяснения этого явления авторы предложили модель яркого пятна во внутренней части аккреционного диска вокруг керровской черной дыры. Вблизи внутреннего края диска, около последней устойчивой круговой орбиты, частоты радиальных колебаний обращающейся частицы составляют 1/3 орбитальной частоты. Наблюдение подобного пятна под некоторым углом к диску должно порождать квазипериодические осцилляции с отношениями частот 2:3 или 3:4.

Как известно, до недавнего времени рассматривали три основных типа черных дыр.
1. Черные дыры звездных масс, возникающие в конце эволюции наиболее массивных звезд. Есть довольно много хороших кандидатов (на русском языке см. обзор Черепащука в УФН).
2. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Есть около сотни оценок массы для таких объектов (см. множество обзоров в списке).
3. Первичные черные дыры. Гипотетические объекты очень малых масс (менее 10¹⁵ г.).
В последние несколько лет стали появляться данные, которые указывают на существование черных дыр с массами от ста до нескольких тысяч солнечных масс. Это т.н. черные дыры промежуточных масс.

В обзоре авторы подробно разбирают различные наблюдательные данные, которые можно интерпретировать как обнаружение таких объектов. С другой стороны, обсуждается и альтернативная интерпретация.

Уже несколько десятилетий перед астрофизикой высоких энергий стоит проблема рентгеновского фонового излучения. По мере роста чувствительности и разрешения детекторов (а затем и телескопов), регистрирующих жесткое излучение, из фона выделялись и вычитались сначала точечные галактические источники, затем скопления галактик и квазары. Большой прогресс в этом вопросе достигнут благодаря наблюдениям с рентгеновских обсерваторий Chandra и XMM, но до сих пор что-то еще остается: с помощью спутника Чандра около 90 процентов рентгеновского фона удалось разрешить на отдельные точечные источники. В основном это внегалактические объекты. А точнее - активные ядра галактик. Данные спутника ХММ-Ньютон позволили получить рентгеновские спектры для ряда таких слабых источников.

В статье дается обзор по данным о слабых рентгеновских источниках - активных ядрах галактик. Особый упор делается на "истории аккреционной светимости Вселенной" (см. рисунок).

Распределение активных ядер галактик по красному смещению. Верхняя гистограмма - все источники из общей выборки Чандры и ХММ-Ньютон. Красная заштрихованная область - оптически отождествленные источники. Сплошная кривая - результаты моделирования.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около 2-3 миллионов масс Солнца. Как известно, черные дыры аккрецируют окружающее вещество, что обычно приводит к появлению рентгеновского источника. Наше галактическое ядро в этом смысле является очень неактивным: светимость черной дыры составляет порядка одной десятимиллионной от предельной светимости. Это очень мало. Теоретикам пришлось немало потрудиться, чтобы придумать, как можно объяснить такое положение дел. Как обычно теоретики перестарались: предложено несколько механизмов, объясняющих низкую эффективность аккреции. Кратко опишем два механизма. Первый - адвекция. В этом случае горячее вещество утекает под горизонт, не успев излучить запасенную энергию. Второй - струи. Энергия уносится не электромагнитным излучением, а переходит в кинетическую энергию струи (об этих механизмах мы неоднократно писали - см. архив наших обзоров, темы "аккреция" и "черные дыры"). Выделить какой из механизмов является "единственно правильным" - не удается. Необходимо наблюдать...

Наблюдения выявили интересный феномен - рентгеновские вспышки. Впервые это было зарегистрировано в 2000 г. на спутнике Чандра. В этой статье авторы представляют данные спутника XMM-Newton по самой яркой вспышке. Светимость ее все равно невелика: 3-4 10³⁵ эрг/с. Для объяснения вспышек также предложено несколько механизмов. Чем больше наблюдений - тем больше ограничений на теоретические модели. Новые наблюдения тут особенно важны, т.к. зарегистрированная вспышка не только самая яркая, но она еще имеет очень мягкий спектр, симметричную кривую блеска и не показывает существенных спектральных вариаций со временем. Это - новый вызов теоретикам.

Вещество с проникающим в него магнитным полем образует аккреционный диск вокруг керровской черной дыры. Что будет с ним происходить? Как результат этого процесса зависит от углового момента черной дыры? Все аналитические возможности ответа на данные вопросы уже давно исчерпаны. В данной статье исследование велось численными методами. Авторы обнаружили, что при всех значениях момента черной дыры в диске можно выделить одни и те же области: основное тело диска, окружающую его горячую корону, внутренний тор с каналом вдоль оси вращения и двух противоположно направленных широких конических джетов, в которых вещество оттекает от черной дыры.

Структура замагниченного аккреционного диска.

Более детальные картинки и анимированные результаты расчетов можно найти на сайте авторов http://www.astro.virginia.edu/~jd5v/KD_movies.htm.

Очень близким вопросам численного моделирования магнитогидродинамических аккреционных потоков посвящена еще более красочная статья astro-ph/0307306.

Список кандидатов в черные дыры в двойных системах растет (сравните с обзором Черепащука и препринтом astro-ph/0306213). В этой статье их уже 51.

Обзор можно использовать как справочник: в нем приведена общая таблица данных для всех кандидатов, а затем комментарии для каждого объекта индивидуально.

Речь идет о (сверх)массивных черных дырах наблюдаемых в центрах галактик. Результаты данной статьи получены в ходе ряда численных экспериментов, проведенных на специализированных компьютерах Grape. (Эти компьютеры предназначены для решения задач об эволюции систем N тяготеющих точек. Действия для таких вычислений реализованы в них аппаратно. В настоящее время возможны расчеты систем с числом точек до N=10⁶, т.е. уже можно точно рассчитывать эволюцию шаровых скоплений и более мелких звездных систем.)

Что происходит с центральными черными дырами, если галактики в которых они находились, сливаются? Расчеты подтвердили результаты теоретических оценок, что две сверхмассивные черные не успевают слиться за хаббловское время без влияния фона окружающих звезд (без динамического трения).

Если как-то возмутить форму черной дыры (такое происходит при падении на черную дыру или близком пролете массивного тела, при слиянии двух черных дыр и т.п.), то черная дыра будет стремиться в равновесному состоянию, а "избавиться от возмущений" она сможет единственным доступным ей способом - с помощью испускания гравитационных волн. Возмущение распадается на ряд фундаментальных мод - собственных колебаний черной дыры. Подобное излучение от черной дыры называется "звоном". Амплитуда таких колебаний может быть достаточно велика для регистрации на лазерных интерферометрах. Причем обнаружение подобного гравитационного излучения будет прямым доказательством существования черных дыр.

Авторами данной статьи построено семейство шаблонов - теоретических профилей сигналов - для эффективного поиска "звона" черных дыр.

Наиболее точные определения масс темных объектов в центрах галактик получаются по наблюдениям звезд, вращающихся близко от них. В статье дается исчерпывающий обзор по поиску сверхмассивных черных дыр этим методом. Сейчас есть уже несколько галактик (включая нашу и М31), в которых на основании данных наблюдений можно исключить скопление темных объектов типа коричневых карликов или компактных остатков. Фактически, это означает, что мы имеем дело с черными дырами (или, можно процитировать Кипа Торна: "Черная дыра - это самая консервативная гипотеза").

Похоже все уже согласились с наличием черной дыры массой примерно 3^.10⁶ M_o в центре нашей Галактики. Это утверждение подтверждается как инфракрасными наблюдениями источника Sagitarrius A*, так и динамикой звезд внутри центрального 0.1 пк.

Вопросы вызывает другой факт - наиболее яркие звезды на расстоянии 0.1 пк, собственные движения которых наблюдаются, являются массивными и, следовательно, молодыми. Откуда они взялись? Там где они находятся сейчас им образоваться просто не из чего. Приблизиться к центральной черной дыре с бОльших расстояний (например с 1 пк) под действием динамического трения они бы не смогли - характерное время подобной диффузии существенно превышает время жизни массивных звезд.

Авторы данной работы предполагают, что наблюдаемые нами звезды были сброшены со своих орбит за пределами 1 пк черной дырой промежуточной массы (10³-10⁴ M_o), обращающейся вокруг центра Галактики по достаточно удаленной орбите. Подтверждением существования второй черной дыры может послужить обнаружение смещения связанного с центральной черной дырой радиоисточника под действием гравитации второй дыры. Несмотря на то, что масса второй дыры составляет долю процента от центральной - современная астрометрия может зарегистрировать подобное смещение.

В этом обзоре подробнейшим образом рассмотрены свойства рентгеновских двойных систем с черными дырами: 18 "систем с подтвержденными черными дырами" и 22 "кандидата в черные дыры". (Термины, используемые авторами, отличаются от обычно употребляемых, выражая уверенность авторов в существовании предмета о котором они пишут.)

Схематическое (диск+корона) изображение различных (по рентгеновскому спектру и светимости) состояний черных дыр. Ось справа показывает темп аккреции в единицах Эддингтоновского.

Вот основные пункты обзора: рентгеновские двойные, рентгеновские новые, аккреция на черные дыры, спектры и светимости черных дыр (по данным разных аппаратов), линии излучения железа, сврехэддингтоновские светимости, различные состояния рентных дыр (рассмотрено подробно), быстрая переменность и квазипериодические осцилляции.

В кружке радиусом 1.2" вокруг центра нашей Галактики - источника Sagittarius A* (Sgr A*) - наблюдается более 40 звезд. На их динамику влияет центральная черная дыра. (Точнее, наиболее строгим доказательством существования центральной черной дыры является изучение динамики звезд наиболее близких к центру Галактики.) Об этих исследованиях уже неоднократно писалось, но здесь вы найдете детальное изложение, как методик наблюдения, так и результатов наблюдений и их интерпретацию.

Скорости звезд (пропорциональны длине стрелок). Размер изображения 2.4"x 2.4".	Проекции векторов ускорения звезд на картинную Плоскость (с 2 конусами). Показана область 0.6"x 0.7" вблизи центра.

Черные дыры - очень простые объекты, самая сложная из них в стационарном состоянии описывается всего тремя параметрами: массой, угловым моментом и электрическим зарядом (и/или магнитным зарядом, если такой существует). В космосе, заполненном плазмой, реальное значение имеют только первые два из них, так как аккреция частиц с зарядом противоположного знака быстро уменьшает собственный электрический заряд черной дыры почти до нуля.

Две черные дыры, образующие двойную систему, как и все другие двойные звезды, будут излучать гравитационные волны. А если двойная черная дыра достаточно тесная, то ее компоненты сблизятся и сольются за время меньшее возраста Вселенной. Подобные события очень интересны тем, кто занимается поиском гравитационных волн, поскольку черные дыры с более высокой, чем у нейтронных звезд, массой, будут более мощными источниками гравитационного излучения и их можно будет обнаруживать с бОльших расстояний.

Каким моментом вращения (a) будут обладать черные дыры, входящие в двойную систему, зависит от хода их эволюции. Однако, черная дыры, образующаяся в результате их слияния, обязательно будет быстро вращаться, поскольку ей "по наследству" достанется момент импульса орбитального движения. Если сливаются две Шварцшильдовские черные дыры (невращающиеся, с a=0), то черная дыры, образующаяся в результате их слияния, будет иметь высокий момент

Слияние Керровских черных дыр этот параметр может уменьшить или увеличить, в зависимость от взаимной ориентации орбитального и собственных моментов импульсов в системе:

Из приведенного соотношения видно, что в таком процессе могут образовываться даже предельно быстро вращающиеся черные дыры с a/M=1. Конечно, это сказывается и на форме гравитационно-волновых импульсов, что важно для их регистрации.

Одна из целей научного подхода - описание наблюдаемых явлений с точки зрения наиболее общего (единого ) подхода. Отсюда поиски "теории всего", "Великое объекдинение" и т.д. Похожие вещи происходят во всех областях науки. В астрономии, например, пытаются объяснить активность галактик разных типов в терминах эволюционных стадий сверхмассивных черных дыр.

Аккрецирующие черные дыры встречаются не только в ядрах галактик. Есть такие объекты в тесных двойных системах. По всей видимости есть черные дыры промежуточных масс. Должны быть одиночные черные дыры, аккрецирующие вещество межзвездной среды... Процессы должны быть в какой-то степени похожи (о разных типах черных дыр см., например, обзоры Черепащука в УФН). В данной статье авторы представляют попытку единого описания различных объектов, содержащих аккрецирующие черные дыры, чья светимость существенно меньше эддингтоновской. Разница в том, что при светимости порядка эддингтоновской доминирует вклад диска, а при существенно меньшей светимости - нетепловое излучение релятивистского джета. Кандидатов в такое состояние много: от тесных двойных до активных и неактивных ядер галактик.

Основные предположения авторов сводятся к тому, что
джет всегда присутствует,
при некотором темпе аккреции (менее нескольких процентов от эддингтоновского) диск перестает быть существенным источником излучения,
если мы смотрим "в жерло", то вклад джета больше вклада диска.

Сравнение с наблюдениями показывает работоспособность модели, однако ясно, что она нуждается в дальнейшем развитии и новых проверках, поскольку очевидно, что реальность устроена несколько сложнее, чем просто тонкий диск + джет.

Авторы вводят новый тип транзиентных (вспыхивающих) источников. Это звезды, вращающиеся на сильноэксцентричных (сильно вытянутых) орбитах вокруг сверхмассивных черных дыр с массой до 10⁸ масс Солнца. Такой предел связан с тем, что чем меньше черная дыра - тем больше приливные силы на том же расстоянии от нее (если расстояния измерять в радиусах черной дыры). Звезды, пролетая вблизи черной дыры, будут испытывать мощное приливное воздействие, что будет приводит к существенному возрастанию их светимости (вплотьт до эддингтоновского предела).

Авторы строят модели таких звезд и оценивают темп появления собитий. Он оказывается небольшим, но авторы надеются, что высокая светимость позволит увидеть такие "сквизары" (сжвезды"? - от слова "сжимать") даже при низком темпе вспышек.

См. также вторую статью тех же авторов: "Orbital inspiral into a massive black hole in a galactic center".

Как известно, в астрономии рассматривают четыре основных типа черных дыр: звездные, свехмассивные, промежуточных масс (недавно обнаружены серьезные указания на их существование) и первичные. Зарегистрировать последние трудно ввиду их малой массы (и небольшого числа). Тут могло бы помочь испарение черных дыр. Крошечные черные дыры должны много излучать. Именно исходя из гипотезы об испарении можно дать верхний предел на пространственную плотность (т.е. количество объектов на, скажем, кубический парсек) первичных черных дыр. В этой работе авторы дают новый, более жесткий, предел: в первичных черных дырах не может быть больше 3.3 10^-9 от полной плотности Вселенной.

На самом деле, возможность испарения черных дыр любой массы является лишь возможностью. Если маленькие черные дыры не испаряются (или испаряются как-то малоэффективно), то их вклад в массу Вселенной может быть гораздо выше (см. подробный обзор на эту тему).

Для очень многих радиогалактик ранних типов (Е и S0) имеются указания на наличие в их центрах сверхмассивных черных дыр. Если верна гипотеза о том, что массы таких черных дыр коррелируют с радиосветимостями галактик, то представляется прекрасная возможность воспользоваться большой выборкой таких галактик из радиообзора красных смещений (2dF Galaxy Redshift Survey = 2dFGRS), чтобы оценить массы близких (до z<0.1) черных дыр. Такая работа была проведена, практически ради одного числа, средней плотности черных дыр в наших окрестностях. Итак: вблизи нас средняя плотность сверхмассивных черных дыр составляет (при значении постоянной Хаббла H₀=50 км/с/Мпк)

Это значение хорошо согласуется с другими оценками и подтверждает предположение, что близкие радиогалактики являются прямыми потомками большинства или всех квазаров.

Многие дипломы (особенно на Западе) имеют отличную обзорную часть. Т.е. может само оригинальное исследование студента не всегда заслуживает очень внимательного прочтения, но Введение (которое может занимать бОльшую часть работы) - вполне заслуживает. Не беремся судить о научной значимости данной публикации, однако, рекомендуем вводные части как относительно популярное введение в физику и астрофизику первичных черных дыр.

Большой подробный обзор по излучению черных дыр, неперегруженный формулами и ссылками. Суть обзора в подробном обсуждении трудностей, имеющихся в описании испарения черных дыр (Хоукинговское излучение). Дело в том, что кроме того что излучение пока не обнаружено, сам факт его возможности под вопросом, т.к. выводы об испарении черных дыр базируются на ряде предположений. Другой выбор разумных параметров делает излучение черных дыр невозможным. Также все более популярной становится идея, что совсем маленькие черные дыры (с массой порядка Планковской - 2.2 10^-5г) не излучают. Соответственно, даже если излучение есть, дыры не испаряются до конца. Оставшиеся реликты могут вносить вклад в темную материю. (См. также работы Алексеева и др.).

Несмотря на то, что существование сверхмассивных черных дыр в центральных областях множества галактик уже фактически не вызывает сомнения, механизм формирования черных дыр остается неизвестным (это было "горячей темой" на прошлой неделе). Всем ясно, как черная дыра может увеличивать свою массу - аккреция. Но вот откуда берется "зародыш" черной дыры?

Шапиро рассматривает несколько популярных сценариев: коллапс сверхмассивной звезды, коллапс звездного скопления или облака частиц (темной материи) и др. Для решения этих задач требуется применение Общей теории относительности (ОТО). Поэтому нужны мощные компьютерные методы. О проделанных расчетах и рассказывается в работе.

^{(Архив Черные дыры:} v.2, 2004, v.1, 2002-2003)