Именно с помощью рентгеновских аппаратов стали измерять массы экзотических объектов: двойных звезд, квазаров, ЧД, нейтронных звезд. Так производят наблюдения рентгеновских двойных систем, поскольку именно в световом диапазоне можно изучать физические свойства космических объектов. Рентгеновские и световые лучи прекрасно дополняют друг друга. Рентгеновские лучи нам сообщают, что имеется компактный объект малых размеров, на который выпадает вещество оптической звезды. Это теория акреции вещества на ЧД получила развитие в начале 70-х годов ХХ-го века, акреция Зельдовича.
Теоретики предсказали, что при падении вещества на ЧД должно выделяться мощное рентгеновское излучение. Светит не сама ЧД, а ее окрестности. Скорость падения вещества превышают скорость света, и происходит очень сильный разогрев. Излучение же оптических звезд дает возможность измерить массы ЧД. Открытиям в области рентгеновской астрономии была присвоена Нобелевская премия.
В настоящее время существует огромная фототека звездного неба. Поэтому всегда можно определить оптического компаньона к любой рентгеновской системе, зафиксировавшего источник рентгеновского излучению. Так была обнаружена звездная система Геркулес С1 и связанная с ней оптическая звезда 14-ой звездной величины. При этом, зафиксировано их звездное затмение, обнаружен акреционный диск, который прецессирует. Затмение происходит с периодичностью 1,7 дня, а их прецессионный период составляет 35 дней.
Эта оптическая пара была выбрана исходя из соображений совпадения периодичности физических процессов обоих звезд.
Вскоре была осуществлена фиксация еще одной звездной пары Лебедь 3Х1 с рентгеновскими источниками, где периодичность центрального смещения длится меньше времени вращения центральной звезды и составляет 136 дней, а их частотная полоса составляет1000 Е. Вскоре после этого открытия писали даже, что, возможно, внеземная цивилизация шлет нам сигнал газовым лазером. Но вскоре поняли, что это естественные физический процесс, от которого мы получаем космические импульсы с очень высокой стабильностью.
Известный русский ученый Шкловский говорил, что в оптическом диапазоне такой сигнал обнаружить не возможно, поскольку вращение происходит вокруг источника мощного рентгеновского излучения, который экранирует оптическую звезду. К тому же, это действительно - звезда, а не планета. Рассматривали так же вопрос строгой поляризации лазерного луча, якобы, посылаемого нам системой. Однако, оказалось, что луч имеет широкий спектр. Идея о вне земной цивилизации была отвергнута.
Кроме того, более подробное изучение двойной системы показало, что она имеет очень высокую стабильность пульсации и представляет собой рентгеновскую пару: ЧД - Звезда. Итак, мы имеем космическую систему: ЧД - Звезда - акреционный диск в плоскости орбиты звезды. Периодичность такой системы легко вычисляется, и, как говорилось ранее, по доплеровскому эффекту можно определить массу системы, а затем и массу ЧД, исходя из наклона орбиты оптической звезды.
Трудно доказать, что масса равна гравитационному радиусу, поскольку замерить на таком расстоянии величины порядка 30 км очень сложно (а именно таким может быть гравитационный радиус ЧД). Поэтому применяю косвенные методы. Рентгеновское излучение имеет не регулярный характер, поскольку имеются флуктуации на акреционном диске, накладываются апериодические процессы, газовые пятна на орбитах. То есть мы имеем наложение регулярных и квазипериодических процессов. Спектр мощности имеет пики, характерные для квазипериодических систем, и их частоты лежат в пределах от 100 до 500 Гц. Это говорит о том, что период обращения пятен составляет всего 0,002 сек.
Поэтому можно получить оценку характерного размера объекта, который находится внутри. Так было определено, что многие такие объекты составляют размеры в несколько гравитационных радиусов. А с помощью оптической звезды по спектру определяется масса и скорость вращения звезды, равная 200 км (с погрешностью в 1-2 км). При взрыве ЧД, и образовании Сверх Новой звезды может образовываться несимметричный диск акреции, который может не совпадать с плоскостью орбиты.
При изучении этих объектов используются сложнейшие математические уравнения, разрабатываются серьезные математические модели, применяется при их решении метод суперпозиции и математической аппроксимации.
Из ЧД вырываются газовые струи, они закручиваются на дисках, скорость движения вещества к ЧД превышает скорость света. Из-за взаимного трения струй в акреционном диске температура достигает сотен миллионов градусов, и наружу выходит рентгеновское излучение. Точность расчетов сильно зависит от наклона орбиты двойной звезды.
Ранее получали с помощью мощных телескопов точнейшие измерения. Однако, используемые модели были очень не совершенными, так как для описания использовалась система двух точечных масс без учета распределенных параметров. К тому же многое зависит от расположения центра масс двойной системы. Конечно, к таким системам модель точечной массы не применима.
Итак, наземные телескопы, спутники с рентгеновскими телескопами, современные математические модели, решение обратных задач, все это вместе позволило серьезно продвинуться в астрофизических измерениях. Наблюдательный эксперимент делает астрономию серьезной физической наукой. В настоящее время, измерения проведены для 50-ти нейтронных звезд и 24-х ЧД. Измерены их массы. Согласно современной теории относительности нейтронная звезда не может иметь массу более 3Мс. Именно так разделяют космические объекты наЧД и нейтронные звезды.
Нейтронные звезды характеризуются наблюдаемой поверхностью. Это радио пульсар или рентгеновский пульсар. Это быстро вращающаяся нейтронная звезда с мощным электромагнитным полем, порядка 1012 Гаусс. Ось его поля наклонена к оси вращения. Излучения, определяемые вращением, имеют строго периодический характер с периодом до 1 сек. и даже меньше. Это явный признак наблюдаемой поверхности нейтронной звезды. Очень сильное магнитное поле и высокая скорость вращения - это следствие сжатия космического объекта от радиуса порядка 106 км до 10 км. Так как магнитное поле звезды не соосно оси вращения, то мы наблюдаем маяк, строго периодического радио излучения. Это радио пульсар. Таких объектов зарегистрировано уже свыше нескольких тысяч.
Если такая звезда захватывает в свое поле тяготения вторую звезду, то образуется двойная система. В такой системе происходит перетекание вещества на более массивную звезду через магнитные полюса. При этом, в области полюсов образуются горячие рентгеновские пятна и ударные волны. Это рентгеновский пульсар.
Если масса недостаточна, то захват вещества не происходит, а накапливается на экваторе с последующим ядерным взрывом, который длится несколько секунд. Мы наблюдаем вспышки. Этот процесс периодический. Рентгеновский бастер говорит о том, что у объекта имеется наблюдаемая поверхность.
Что же касается объектов, отнесенных к разряду ЧД, то они не проявляют никаких признаков наблюдаемой поверхности. Чтобы окончательно утвердится, что объект является ЧД, необходимо у них подтвердить целый ряд характерных признаков. Что касается массивных ЧД, то размеры их массы столь велики, что можно такие объекты фиксировать по их тени непосредственно.
Интерферометры с большим угловым разрешением, вероятно, позволят в будущем разглядеть такую ЧД, как тень его акреционного диска в виде темного пятна, поскольку такой объект не дает излучения. Наблюдения показывают, что ЧД и нейтронные звезды ведут себя в полном согласии с теорией относительности.
В этой связи родилась новая область астрофизики - демография ЧД - рождение и эволюция, взаимодействие со звездами и галактиками. Научные исследования в этом плане проводят по двум направлениям. Во-первых, это подтверждение их физических свойств. Во-вторых, получение их сравнительных характеристик и сопоставление с нейтронными звездами и галактиками.
Основной вопрос заключается в следующем. Как массивные ЧД в галактиках смогли вырасти до таких размеров, за какое время они сформировались? Или в этом смысле вообще нельзя говорить о времени?
Сейчас уже установилась классификация, распределение ЧД по массам. Дело в том, что вообще распределение звезд по массам в нашей галактике резко возрастает в сторону малых масс. Для ЧД такое распределение не выдерживается, для них характерно плоское распределение по массам. Это может служить подсказкой к решению вопроса происхождения ЧД.
С одной стороны, можно предполагать, что эволюция звезды в конце ее жизни была такова, что малые, массивные ЧД не образовывались. С другой стороны, возможно в двойных системах они распадались. Кроме того, такое системное нарушение может быть связано с селекцией в процессе наблюдения.
Сегодня существует парадигма гравитации в многомерном пространстве. Предполагается, что наше пространство имеет не трех мерное измерение (это лишь то, что доступно нам в ощущениях), а вплоть до 10-ти измерений. При этом, некоторые измерения свернуты в трубочку, диаметр которой, в нашем представлении, стремится к нулю. Есть гипотеза, что скорость испарения ЧД в многомерном пространстве намного выше, нежели чем в трехмерном пространстве.
Хоккинг, в свое время, предположил, что ЧД должна испаряться вблизи горизонта событий, где образуются элементарные частицы и фотоны. Они уходят в пространство, унося с собой энергию. Благодаря этому ЧД может терять свой вес и испариться. В таком случае, в процессе эволюции Вселенной некоторые ЧД с малой массой успели испариться. Скорость квантового испарения пропорциональна m3.
Испарение на горизонте событий в двойных системах должно приводить к изменению орбитального периода системы. Такой процесс реально можно наблюдать в течение физического эксперимента, хотя такие исследования могут потребовать очень высоких точностей измерения. Физический эксперимент приводит к тому, что четвертое пространственное измерение дополнительно составляет 0,1 мм, есть ограничения на предел этого измерения. То есть 4-ое пространственное измерение свернуто в трубочки, диаметр которой меньше 0,1 мм.
Физические эксперименты приводят к выводу, что 4-ое измерение имеет такую маленькую размерность. Дальше с помощью физических измерений пробиться не возможно, поскольку необходимо убедиться в справедливости закона пропорции 1/R2 для закона тяготения Ньютона на расстоянии долей мм. Это является очень сложной практической задачей. Пока в лаборатории удалось замерить только до 0,01 мм.
А вот длительное наблюдение за орбитальным периодом рентгеновских двойных систем дают надежду на то, что в будущем появится возможность дальше продвинуться в область проверки этой идеи.
Вернемся к вопросу рождения ЧД. Изначально было две звезды. Одна больше, другая меньше по массе. Происходило перетекание вещества под действием гравитации. По временной шкале ядерной эволюции это миллиарды лет. Постепенно вызрело железное ядро, и произошел коллапс, сжатие. И, если масса ядра возросла до 3Мс, то возникла ЧД, если меньше, то нейтронная звезда. Оболочка сбрасывается, и мы наблюдаем рождение сверх новой звезды.
Как осуществляется наблюдение за этим процессом? Еще в 70-е годы ХХ-го века астрономы наблюдали г - всплески, и с их регистрацией возникла большая загадка. Но сейчас стало ясно, что это коллапс массивных звезд, наблюдаемых на больших расстояниях, в других галактиках.
Сейчас зафиксировано красное свечение от объектов, соответствующее временным промежуткам в 300 млн. лет, что менее 1-го млрд., тогда как возраст Вселенной составляет 14,5 млрд. лет. Согласно современным моделям, г- всплеск - это рождение массивной, быстро вращающейся ЧД. Это связано с тем, что при обычных процессах в звездах такое излучение не может выйти на поверхность, а вращается внутри и перерабатывается в оптическое излучение. Но в момент коллапса г - излучение выносится из объекта. Этому помогает вращение вращающейся ЧД, которое выносит вещество на поверхность звезды, выбрасывая нейтронное вещество, прошивая оболочку новой звезды. Чтобы звезды не поглощались ЧД, необходимо, чтобы она быстро вращалась, чтобы не было потери момента вращения.
При формировании ЧД выбрасывается огромная энергия, сравнимая с энергией аннигиляции целой солнечной массы. ЧД - это новая форма материи, в ней пространство и время взаимно связаны и преобразуются друг в друга.
Вообще, физических загадок очень много. Например, почему спутник, потеряв на орбите энергию, падает на Землю с ускорением, и у него многократно возрастает кинетическая энергия? Классическая теория говорит о преобразовании потенциальной энергии в кинетическую. На самом деле, видимо здесь работает отрицательная энергия гравитации. Запас этой энергии в стационарной системе в 2 раза больше, чем тепловой энергии.