Неземная гравитация

Какие же интересные физические процессы можно изучать, глядя на нейтронные звезды, какие уникальные условия с ними связаны? Во-первых, за что была выдана вторая Нобелевская премия, – это сильные гравитационные поля (наблюдения двойного радиопульсара позволили проверить предсказания Общей теории относительности для гравитационных полей, многократно превосходящих, доступные нам в Солнечной системе или на Земле). В принципе, самые сильные гравитационные поля существуют в окрестностях черных дыр, но тут есть большая сложность – у черной дыры нет поверхности. Поэтому изучать поведение вещества вблизи горизонта сейчас невозможно.

Мы наблюдаем большое количество кандидатов в черные дыры, но как мы их наблюдаем? По большей части мы видим вещество, которое крутится вокруг черной дыры. Однако у Общей теории относительности есть очень интересная особенность. Если в обычной (ньютоновской) теории гравитации мы возьмем какой-нибудь шарик и станем помещать его на разные орбиты вокруг тяготеющего центра, делая их все ближе-ближе-ближе к поверхности массивного тела, то все равно это будут круговые орбиты. Если центральный объект – просто массивная точка, то на любом расстоянии от нее по круговой орбите может вращаться спутник. В Общей теории относительности все не так: там есть последняя устойчивая круговая орбита. А если мы помещаем объект ближе, то орбита становится спиралью. И наш спутник довольно быстро «вспираливается» в черную дыру.

Поэтому, даже если у нас есть мощный красивый аккреционный диск вокруг черной дыры и мы его наблюдаем, то он имеет внутреннюю границу. Но диск обрывается не на горизонте черной дыры, как можно было бы ожидать, а на большем расстоянии. Может быть, даже в три раза дальше – зависит от того, как вращается черная дыра и в какую сторону крутится диск. То есть от внутреннего края диска вещество попадает внутрь черной дыры очень быстро – из-за этого там как бы возникает щель, нет яркой области, в которой достаточно долгое время существовало бы нагретое вещество. Поэтому изучать то, что происходит в совсем сильных гравитационных полях в черных дырах – зачастую сложно.

Нейтронная звезда может иметь радиус меньше, чем радиус такой последней устойчивой орбиты, т. е. диск также может не доходить до поверхности. Зато сама поверхность видна! Она твердая, и мы можем наблюдать ее, т. е. изучать плотную материю в сверхсильном гравитационном поле. Нейтронные звезды дают возможность изучать практически всю физику (электродинамику, гидродинамику, ядерную физику и т. д.) на фоне сильнейшей гравитации. И все это благодаря астрономическим наблюдениям, которые становятся все лучше. Ведь мы живем в счастливое время, когда каждые 10–20 лет можно получать инструменты во всех диапазонах спектра, превосходящие своих предшественников на порядок по всем параметрам. Кроме их стоимости: она остается примерно такой же. Более того, мы осваиваем все новые и новые методы наблюдений (гравволны, нейтрино). И пытаемся заглянуть в недра компактных объектов.

Аккреционные диски вокруг черных дыр с разным вращением. Диск вокруг невращающейся черной дыры обрывается на большем расстоянии. На рисунке не показан эффект искривления изображения диска, ставший известным благодаря фильму «Интерстеллар». Однако важно понимать, что на самом деле диск не искривлен, искаженным является только его изображение.