4. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Примерно 50% всех звезд рождается в двойных системах: это справедливо и для больших звезд, и для маленьких. И в 50% всех двойных систем звезды расположены достаточно близко, чтобы существенно взаимодействовать в процессе эволюции. Интересная для нас возможность состоит в том, что более массивная звезда в двойной системе будет быстро расходовать свое ядерное горючее и коллапсировать, образуя черную дыру, и что затем ее менее массивный компаньон будет поставлять достаточно газа на дыру, обеспечивая достаточно большую светимость.

Г рубая оценка максимально возможной светимости — это «эд-дингтоновский предел» — значение для которого действие гравитации на аккрецируемый газ точно сбалансировано направленным наружу давлением фотонов, которые рассеивают электроны газа:

т. е.

(Здесь томсоновское сечение рассеяния фотонов электронами, — масса атома водорода и — численная плотность электронов в аккрецирующем газе, который предполагается состоящим в основном из ионизованного водорода.) Если основная часть светимости приходит из области вблизи шварцшильдовского радиуса, то типичные фотоны должны иметь энергию, большую или порядка энергии, соответствующей чернотельному излучению:

т. е.

Таким образом, черная дыра, аккрецирующая газ в тесной двойной системе, является многообещающим источником рентгеновского излучения высокой светимости. То же самое верно для нейтронной звезды и в меньшей степени для белого карлика.

Идея поисков рентгеновского излучения от черных дыр и нейтронных звезд в двойных системах пришла в голову многим астрофизикам одновременно в 1966 г. (см. историю вопроса в работе [32] и ранние публикации [136, 184]). Эта идея оправдала себя в 1971 г., когда исследовательская группа Джиаккони запустила первый рентгеновский спутник Земли «Ухуру» и открыла рентгеновское излучение пульсарного типа со светимостью приходящее из нескольких двойных систем (см. обзор [66]). Пульсирующие рентгеновские потоки очень быстро и убедительно были приписаны нейтронным звездам [54, 68, 105, 162]; они не могли бы приходить от черных дыр, так как теория требует, чтобы дыры были аксиально-симметричными, и тем самым не позволяет их вращению действовать в качестве часового механизма, регулирующего импульсы, точно следующие во времени.

С другой стороны, если нейтронные звезды могут оказаться в двойных системах и могут испускать рентгеновское излучение при аккреции, то нет никаких видимых причин, по которым то же самое не могли бы делать черные дыры. Поэтому заманчиво было предположить, что некоторые из Ухуровских непульсирующих источников могут быть черными дырами. Наиболее убедительный способ отличить черные дыры от нейтронных звезд и белых карликов — это взвесить их; что-либо более тяжелое, чем должно быть черной дырой. Взвешивание было выполнено, хотя и не очень точно,

и выдвинуло многообещающего кандидата в черные дыры: рентгеновский источник Cygnus Х-1. В разд. 4.5 процедура взвешивания описывается детально наряду с другими свидетельствами в пользу предположения (но еще не доказательства!), что Х-1 и Circinus Х-1 - черные дыры.

Прежде чем обсуждать наблюдательную ситуацию, представим необходимые для этого теоретические основания, описывая в разд.

4. 2 эволюцию массивных двойных систем и в разд. 4.3 теорию сбрасывания газа в дыру ее компаньоном и наконец в разд. 4.4 - модели течения газа вблизи дыры и генерации рентгеновского излучения.