Конечные стадии эволюции массивных звезд
Большинство нейтронных звезд образуется при гравитационном коллапсе ядер звезд, имевших в начале жизни массу более десяти солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением — вспышкой сверхновой звезды (II типа).
Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной галактике происходят примерно раз в 30 лет, легко вычислить, что за время существования нашей Галактики (10–13 млрд лет) в ней должно было образоваться несколько сот миллионов нейтронных звезд.
Молодые нейтронные звезды быстро вращаются (периоды их вращения измеряются десятком миллисекунд) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твердой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий. Ускоренные электроны в магнитном поле излучают фотоны с очень высокой энергией, которые сами могут рождать новые пары электронов и позитронов. Образованная таким образом плазма состоит из частиц, которые движутся с ультрарелятивистскими скоростями (т. е. практически со скоростью света). В ней могут рождаться радиоволны, которые и наблюдают радиоастрономы от пульсаров.
С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. Со временем многие радиопульсары становятся слишком слабыми для обнаружения в радиодиапазоне. Теоретически в Галактике должно существовать огромное число нейтронных звезд, тогда как непосредственно астрономам известны лишь тысячи пульсаров: значительная часть таких объектов не направляет радиоизлучение в сторону Земли или уже не проявляет себя как яркий радиопульсар.
Как и для белых карликов, для нейтронных звезд существует предельно возможная масса, которая носит название предела Оппенгеймера — Волкова. Однако строение материи при фантастически высоких плотностях в недрах массивных нейтронных звезд известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера — Волкова точно не установлен. Его теоретическая оценка зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае предельная масса не превышает трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра — коллапсирующее тело, которое не может покинуть даже свет.
Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты — черные дыры — в общей теории относительности описываются небольшим числом параметров: прежде всего массой и вращением, а в общем случае также электрическим зарядом. Саму область за горизонтом событий увидеть невозможно, поэтому о черных дырах судят по их воздействию на окружающее вещество и свет, по движению соседних объектов, по гравитационным волнам и по структуре излучения вблизи горизонта событий.
Термин «черная дыра» был введен в науку в 1968 г. американским физиком-теоретиком Джоном Уилером (1911–2008) для обозначения сколлапсировавшей звезды. Про черную дыру говорят, что она уходит под горизонт событий для далекого наблюдателя. На достаточно больших расстояниях черная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у черных дыр быть не может.
Свидетельства существования черных дыр
Первые убедительные кандидаты в черные дыры были обнаружены в тесных двойных системах по движению видимой звезды и мощному рентгеновскому излучению вещества, падающего на невидимый компактный объект. Сегодня свидетельства гораздо разнообразнее: астрономы измеряют орбиты звезд у сверхмассивных черных дыр, наблюдают горячие аккреционные диски и релятивистские струи, регистрируют гравитационные волны от слияний компактных объектов. Некоторые коллапсы массивных звезд могут сопровождаться узконаправленными выбросами, связанными с гамма-всплесками.
Гравитационно-волновая астрономия уже стала самостоятельным способом изучения черных дыр. 14 сентября 2015 г. детекторы LIGO впервые непосредственно зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух черных дыр; об открытии GW150914 было объявлено в феврале 2016 г. С тех пор зарегистрировано множество подобных событий. Еще одним важным шагом стали изображения «тени» черных дыр: в 2019 г. Телескоп горизонта событий представил M87*, а в 2022 г. — Стрелец A* в центре Млечного Пути.