Бескрайняя Вселенная полна тайн, загадок и парадоксов. Несмотря на то, что современная наука сделала огромный скачок вперед в исследовании космоса, многое в этом бескрайнем мире остается непостижимым для человеческого мировосприятия. Нам достаточно много известно о звездах , туманностях, скоплениях и планетах. Однако на просторах Вселенной встречаются такие объекты, о существовании которых мы можем только догадываться. Например, о черных дырах нам известно крайне мало. Основные сведения и знания о природе черных дыр строятся на предположениях и догадках. Астрофизики, ученые-атомщики бьются над этим вопросом уже не один десяток лет. Что же такое черная дыра в космосе? Какова природа подобных объектов?
Говоря о черных дырах простым языком
Чтобы представить, как выглядит черная дыра, достаточно увидеть хвост уходящего в туннель поезда. Сигнальные фонари на последнем вагоне по мере углубления поезда в туннель, будут уменьшаться в размерах, пока совсем не исчезнут из поля зрения. Другими словами — это объекты, где в силу чудовищного притяжения исчезает даже свет. Элементарные частицы, электроны, протоны и фотоны не в состоянии преодолеть невидимый барьер, проваливаются в черную бездну небытия, поэтому такая дыра в пространстве и получила название — черная. Нет внутри нее ни малейшего светлого участка, сплошная чернота и бесконечность. Что находится по ту стороны черной дыры – неизвестно.
Этот космический пылесос обладает колоссальной силой притяжения и в состоянии поглотить целую галактику со всеми скоплениями и сверхскоплениями звезд, с туманностями и с темной материей в придачу. Каким образом это возможно? Остается только догадываться. Известные нам законы физики в данном случае трещат по швам и не дают объяснения происходящим процессам. Суть парадокса заключается в том, что в данном участке Вселенной гравитационное взаимодействие тел определяется их массой. На процесс поглощения одним объектом другого не оказывают влияния их качественный и количественный состав. Частицы, достигнув критического количества на определенном участке, входят в другой уровень взаимодействия, где гравитационные силы становятся силами притяжения. Тело, объект, субстанция или материя под воздействием гравитации начинает сжиматься, достигая колоссальной плотности.
Примерно такие процессы происходят при образовании нейтронной звезды , где звездная материя под воздействием внутренней гравитации сжимается в объеме. Свободные электроны соединяются с протонами, образуя электрически нейтральные частицы — нейтроны. Плотность этой субстанции огромна. Частица материи размером с кусок рафинада имеет вес в миллиарды тонн. Здесь уместным будет вспомнить общую теорию относительности, где пространство и время — величины непрерывные. Следовательно, процесс сжатия не может быть остановлен на полпути и поэтому не имеет предела.
Потенциально черная дыра выглядит как нора, в которой возможно существует переход из одного участка пространства в другой. При этом свойства самого пространства и времени меняются, закручиваясь в пространственно-временную воронку. Достигая дна этой воронки, любая материя распадается на кванты. Что находится по ту стороны черной дыры, этой гигантской норы? Возможно, там существует другое иное пространство, где действуют другие законы и время течет в обратном направлении.
В разрезе теории относительности теория черной дыры выглядит следующим образом. Точка пространства, где гравитационные силы сжали любую материю до микроскопических размеров, обладает колоссальной силой притяжения, величина которой возрастает до бесконечности. Появляется складка времени, а пространство искривляется, замыкаясь в одной точке. Поглощенные черной дырой объекты не в состоянии самостоятельно противостоять силе втягивания этого чудовищного пылесоса. Даже скорость света, которой обладают кванты, не позволяет элементарным частицам преодолеть силу притяжения. Любое тело, попавшее в такую точку, перестает быть материальным объектом, сливаясь с пространственно-временным пузырем.
Черные дыры с точки зрения науки
Если задаться вопросом, как образуются черные дыры? Однозначного ответа не будет. Во Вселенной достаточно много парадоксов и противоречий, которые невозможно объяснить с точки зрения науки. Теория относительности Эйнштейна позволяет только теоретически объяснить природу подобных объектов, однако квантовая механика и физика в данном случае молчат.
Пытаясь объяснить законами физики происходящие процессы, картина будет выглядеть следующим образом. Объект, образуется в результате колоссального гравитационного сжатия массивного или сверхмассивного космического тела. Этот процесс носит научное название — гравитационный коллапс. Термин «черная дыра» впервые прозвучал в научной среде в 1968 году, когда американский астроном и физик Джон Уиллер пытался объяснить состояние звездного коллапса. По его теории, на месте массивной звезды подвергнувшейся гравитационному коллапсу возникает пространственный и временной провал, в котором действует постоянно растущее сжатие. Все, из чего состояла звезда, уходит внутрь себя.
Такое объяснение позволяет сделать вывод, что природа черных дыр никоим образом не связана с процессами, происходящими во Вселенной. Все, что происходит внутри этого объекта, никак не отражается на окружающем пространстве при одном «НО». Сила гравитации черной дыры настолько сильна, что искривляет пространство, заставляя вращаться галактики вокруг черных дыр. Соответственно становится понятна причина, почему галактики принимают форму спиралей. Сколько понадобится времени на то, чтобы огромная галактика Млечный путь исчезла в бездне сверхмассивной черной дыры, неизвестно. Любопытен факт, что черные дыры могут возникать в любой точке космического пространства, там, где для этого созданы идеальные условия. Такая складка времени и пространства нивелирует те огромные скорости, с которыми вращаются звезды и перемещаются в пространстве галактики. Время в черной дыре течет в другом измерении. Внутри этой области никакие законы гравитации не поддаются интерпретации с точки зрения физики. Такое состояние называется сингулярностью черной дыры.
Черные дыры не проявляют никаких внешних идентификационных признаков, об их существовании можно судить по поведению других космических объектов, на которые воздействуют гравитационные поля. Вся картина борьбы не на жизнь, а на смерть происходит на границе черной дыры, которая прикрыта мембраной. Эта мнимая поверхность воронки называется «горизонтом событий». Все, что мы видим до этой границы, осязаемо и материально.
Сценарии образования черных дыр
Развивая теорию Джона Уиллера, можно сделать вывод, что тайна черных дыр скорее не в процессе ее формирования. Образование черной дыры возникает в результате коллапса нейтронной звезды. Причем масса такого объекта должна превосходить массу Солнца в три и более раз. Нейтронная звезда сжимается до тех пор, пока ее собственный свет уже не в состоянии вырваться из тесных объятий силы притяжения. Существует граничный предел в размере, до которого может сжиматься звезда, давая рождение черной дыре. Этот радиус называется гравитационным радиусом. Массивные звезды на финальной стадии своего развития должны иметь гравитационный радиус в несколько километров.
Сегодня ученые получили косвенные доказательства присутствия черных дыр в десятке рентгеновских двойных звездах. У рентгеновских звезд, пульсара или барстера нет твердой поверхности. К тому же их масса больше массы трех Солнц. Нынешнее состояние космического пространства в созвездии Лебедя – рентгеновская звезда Лебедь Х-1, позволяет проследить процесс образования этих любопытных объектов.
Исходя из исследований и теоретических предположений, сегодня в науке существует четыре сценария образования черных звезд:
- гравитационный коллапс массивной звезды на финальном этапе ее эволюции;
- коллапс центральной области галактики;
- формирование черных дыр в процессе Большого взрыва;
- образование квантовых черных дыр.
Первый сценарий является самым реалистичным, однако то количество черных звезд, с которым мы знакомы на сегодняшний день, превышает количество известных нейтронных звезд. Да и возраст Вселенной не настолько большой, чтобы такое количество массивных звезд смогло пройти полный процесс эволюции.
Второй сценарий имеет право на жизнь, и тому существует яркий пример – сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, приютившаяся в центре нашей галактики. Масса этого объекта 3,7 массы Солнца . Механизм этого сценария схож со сценарием гравитационного коллапса с той лишь разницей, что коллапсу подвергается не звезда, а межзвездный газ. Под воздействием гравитационных сил происходит сжатие газа до критической массы и плотности. В критический момент материя распадается на кванты, образуя черную дыру. Однако эта теория вызывает сомнения, так как недавно астрономы Колумбийского университета выявили спутники черной дыры Стрелец А*. Ими оказалось множество мелких черный дыр, которые вероятно образовались другим способом.
Третий сценарий больше теоретический и связан с существованием теории Большого взрыва. В момент образования Вселенной часть материи и гравитационные поля претерпели флуктуацию. Другими словами, процессы пошли другим путем, не связанным с известными процессами квантовой механики и ядерной физики.
Последний сценарий ориентирован на физику ядерного взрыва. В сгустках материи в процессе ядерных реакций под влиянием гравитационных сил происходит взрыв, на месте которого образуется черная дыра. Материя взрывается внутрь себя, поглощая все частицы.
Существование и эволюция черных дыр
Имея приблизительное представление о природе столь странных космических объектов, интересно другое. Какие истинные размеры черных дыр, как быстро они растут? Размеры черных дыр определяются их гравитационным радиусом. Для черных дыр радиус черной дыры определяется ее массой и называется радиусом Шварцшильда. К примеру, если объект имеет массу равную массу нашей планеты, то радиус Шварцшильда в таком случае составляет 9 мм. Наше главное светило имеет радиус в 3 км. Средняя плотность черной дыры, образовавшейся на месте звезды массой 10⁸ масс Солнца, будет близкой к плотности воды. Радиус такого образования составит 300 млн. километров.
Вероятно, что такие гигантские черные дыры располагаются в центре галактик. На сегодняшний день известны 50 галактик, в центре которых находятся огромные временные и пространственные колодцы. Масса таких гигантов составляет миллиарды масса Солнца. Можно только представить, какой колоссальной и чудовищной силой притяжения обладает такая дыра.
Что касается мелких дырочек, то это мини-объекты, радиус которых достигает ничтожных величин, всего 10¯¹² см. Масса такой крошки составляет 10¹⁴гр. Подобные образования возникли в момент Большого взрыва, однако со временем увеличились в размерах и сегодня красуются в космическом пространстве в качестве монстров. Условия, при которых шло образование мелких черных дыр, ученые сегодня пытаются воссоздать в земных условиях. Для этих целей проводятся эксперименты в электронных коллайдерах, посредством которых элементарные частицы разгоняются до скорости света. Первые опыты позволили получить в лабораторных условиях кварк-глюонную плазму — материю, которая существовала на заре образования Вселенной. Подобные эксперименты позволяют надеяться, что черная дыра на Земле – дело времени. Другое дело, не обернется ли подобное достижение человеческой науки катастрофой для нас и для нашей планеты. Создав искусственно черную дыру, мы можем открыть ящик Пандоры.
Последние наблюдения за другими галактиками, позволили ученым открыть черные дыры, размеры которых превышают все мыслимые ожидания и предположения. Эволюция, которая происходит с подобными объектами, позволяет лучше понять, от чего растет масса черных дыр, каков ее реальный предел. Ученые пришли к выводу, что все известные черные дыры выросли до своих реальных размеров в течение 13-14 млрд. лет. Разница в размерах объясняется плотностью окружающего пространства. Если у черной дыры достаточно пищи в пределах досягаемости сил притяжения, она растет словно на дрожжах, достигая массы в сотни и тысячи солнечных масс. Отсюда и гигантские размеры таких объектов, расположенных в центре галактик. Массивное скопление звезд, огромные массы межзвездного газа являются обильной пищей для роста. При слиянии галактик, черные дыры могут сливаться воедино, образуя новый сверхмассивный объект.
Судя по анализу эволюционных процессов, принято выделять два класса черных дыр:
- объекты с массой в 10 раз больше солнечной массы;
- массивные объекты, масса которых составляет сотни тысяч, миллиарды солнечных масс.
Существуют черные дыры со средней промежуточной массой равной 100-10 тыс. масс Солнца, однако их природа до сих пор остается неизвестной. На одну галактику приходится примерно один такой объект. Изучение рентгеновских звезд позволило найти на расстоянии 12 миллионов световых лет в галактике М82 сразу две средние по массе черные дыры. Масса одного объекта варьируется в диапазоне 200-800 масс Солнца. Другой объект гораздо больше и имеет массу 10-40 тыс. солнечных масс. Судьба таких объектов интересна. Располагаются они вблизи звездных скоплений, постепенно притягиваясь к сверхмассивной черной дыре, расположенной в центральной части галактики.
Наша планета и черные дыры
Несмотря на поиски разгадки о природе черных дыр, научный мир беспокоит место и роль черной дыры в судьбе галактики Млечный путь и, в частности, в судьбе планеты Земля. Складка времени и пространства, которая существует в центре Млечного пути, постепенно поглощает все существующие вокруг объекты. Уже поглощены в черной дыре миллионы звезд и триллионы тонн межзвездного газа. Со временем дойдет очередь и до рукавов Лебедя и Стрельца, в которых находится Солнечная система, пройдя расстояние в 27 тыс. световых лет.
Другая ближайшая сверхмассивная черная дыра находится в центральной части галактики Андромеда. Это около 2,5 млн. световых лет от нас. Вероятно, до того времени, как наш объект Стрелец А* поглотит собственную галактику, следует ожидать слияния двух соседствующих галактик. Соответственно произойдет и слияние двух сверхмассивных черных дыр в одно целое, страшное и чудовищное по размерам.
Совершенно другое дело — черные дыры небольших размеров. Чтобы поглотить планету Земля достаточно черной дыры радиусом в пару сантиметров. Проблема заключается в том, что по своей природе черная дыра совершенно безликий объект. Из ее чрева не исходит никакое излучение, ни радиация, поэтому заметить столь загадочный объект достаточно трудно. Только с близкого расстояния можно обнаружить искривление фонового света, которое свидетельствует о том, что в этом районе Вселенной имеется дырка в пространстве.
На сегодняшний день ученые установили, что ближайшая к Земле черная дыра — это объект V616 Monocerotis. Чудовище расположено в 3000 световых лет от нашей системы. По своим размерам это крупное образование, его масса составляет 9-13 солнечных масс. Другим близким объектом, несущим угрозу нашему миру, является черная дыра Gygnus Х-1. С этим монстром нас разделяет расстояние в 6000 световых лет. Выявленные по соседству с нами черные дыры, являются частью бинарной системы, т.е. существуют в тесном соседстве со звездой, питающей ненасытный объект.
Заключение
Существование в космосе таких загадочных и таинственных объектов, какими являются черные дыры, безусловно, заставляет нас находиться на стороже. Однако все, что происходит с черными дырами, случается достаточно редко, если брать во внимание возраст Вселенной и огромные расстояния. В течение 4,5 млрд. лет Солнечная система пребывает в состоянии покоя, существуя по известным нам законам. За это время ничего подобного, ни искажения пространства, ни складки времени вблизи Солнечной системы не появилось. Вероятно, для этого нет подходящих условий. Та часть Млечного пути, в которой пребывает система звезды Солнце, является спокойным и стабильным участком космоса.
Ученые допускают мысль, что появление черных дыр не случайно. Такие объекты выполняют во Вселенной роль санитаров, уничтожающих излишек космических тел. Что же касается судьбы самих монстров, то их эволюция еще до конца не изучена. Существует версия, что черные дыры не вечны и на определенном этапе могут прекратить свое существование. Уже ни для кого не секрет, что такие объекты представляют собой мощнейшие источники энергии. Какая это энергия и в чем она измеряется – это другое дело.
Стараниями Стивена Хокинга науке была предъявлена теория о то, что черная дыра все-таки излучает энергию, теряя свою массу. В своих предположениях ученый руководствовался теорией относительности, где все процессы взаимосвязаны друг с другом. Ничего просто так не исчезает, не появившись в другом месте. Любая материя может трансформироваться в другую субстанцию, при этом один вид энергии переходит на другой энергетический уровень. Так, может быть, обстоит дело и с черными дырами, которые являются переходным порталом, из одного состояния в другое.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
«Техника-молодежи» 1976 г №4, с.44-48
Один из дней работы конференции «Человек и космос» был посвящен космическим телам, заполняющим нашу вселенную: частицам, полям, звездам, галактикам, скоплениям галактик...
Мы публикуем обзор докладов на эту тему, сделанных на конференции, - доклада академика Я. ЗЕЛЬДОВИЧА «Поля и частицы во вселенной», а также трех докладов, посвященных исследованию наблюдаемых проявлений наиболее уникальных объектов нашей вселенной - «черных дыр». Эти доклады представлены заведующими секторами Института космических исследований АН СССР, докторами физико-математических наук И. НОВИКОВЫМ и Р. СЮНЯЕВЫМ и научным сотрудником Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, кандидатом физико-математических наук Н. ШАКУРОЙ.
Уже несколько десятилетий астрономический мир волнует проблема существования «черных дыр» во вселенной - удивительнейших объектов, предсказанных физиками на основе общей теории относительности А. Эйнштейна. «Черные дыры» - материальные тела, сжатые силами собственного тяготения до таких размеров, что ни свет, ни какие-либо другие частицы не могут покинуть поверхность и уйти в бесконечность.
Всем хорошо известно понятие второй космической скорости. Это начальная скорость, которую нужно придать космическому кораблю (или любому другому предмету) на поверхности Земли для преодоления гравитационных сил притяжения и ухода в космическое пространство. Численно она равна 11,2 км/с.
Представим теперь гипотетический космический корабль, стартующий с поверхности какой-либо звезды, например нашего Солнца. Для того чтобы он смог освободиться от «гравитационных объятий» звезды, ему потребуется скорость уже в сотни километров в секунду. В общем случае вторая космическая скорость зависит от массы М и радиуса R тела и определяется всем известной формулой: 
(G - постоянная гравитационного взаимодействия). Очевидно, чем меньший радиус R имеет тело данной массы М, тем сильнее его гравитационное поле, тем больше значение второй космической скорости.
Еще в конце XVII столетия известный французский ученый Пьер Симон Лаплас в некотором смысле предсказал «черные дыры», задаваясь вопросом: до каких размеров следует сжать тело, чтобы скорость убегания с его поверхности равнялась скорости света с = 300 000 км/с? Подставляя в выражение для второй космической скорости величину скорости света с = 300 000 км/с, находим значение радиуса 
Для Земли он равен всего 3 см, для Солнца - 3 км. Таким образом, если бы с помощью какого-либо внешнего воздействия удалось сжать эти тела до радиуса R g , то они ничего бы не излучали наружу, так как нужно было бы придать частицам начальную скорость больше скорости света, но последняя, как мы знаем сегодня, является предельно возможной скоростью для материальных частиц.
Истинные размеры Земли и других планет. Солнца и других звезд в тысячи раз больше радиуса R g , и долгое время ученые предполагали, что внутренние силы давления вещества не позволят ему сжаться до критического радиуса. Но в 30-х годах нашего столетия несколько ученых-физиков (одним из них был академик Л. Ландау) показали, что достаточно массивные звезды в конце своей эволюции должны превращаться в «черные дыры», то есть сжаться до таких размеров, когда гравитационное поле запирает излучение, выходящее с их поверхности. Процесс сжатия массивных звезд является необратимым: никакие сверхмощные силы отталкивания между частицами не могут воспрепятствовать сжатию звезды почти до R g . Такой процесс необратимого катастрофического сжатия получил название гравитационного коллапса , а критический радиус R g называется гравитационным радиусом тела.
Мы знаем, что механика Ньютона неприменима, когда скорость движения частиц сравнима со скоростью света. В этом случае пользуются специальной теорией относительности. А для описания сильных гравитационных полей и движения вещества в них также вместо теории тяготения Ньютона пользуются общей теорией относительности, или, как ее еще называют, релятивистской теорией тяготения Эйнштейна. Поразительным оказалось то, что расчет гравитационного радиуса в точной релятивистской теории тяготения привел к тому же значению: , которое Лаплас вычислил больше чем полтора столетия назад. Но, по теории Ньютона, сколь огромную массу вещества мы ни брали бы, она всегда может находиться в равновесном состоянии. Хотя понятие гравитационного радиуса для нее существует, но размеры тела, по теории Ньютона, всегда больше.
В точной релятивистской теории не так. Оказывается, что если масса вещества превышает некоторое критическое значение, то оно должно после того, как потеряет свою тепловую энергию, под действием гравитационных сил коллапсировать. Это критическое значение массы равно примерно 2-3 массам нашего Солнца (2-3 Мс).
Во вселенной мы наблюдаем миллиарды звезд как с массой в десятки раз меньше солнечной, так и в десятки раз больше. Звезды теряют свою тепловую энергию в виде электромагнитного излучения с поверхности. Чем больше масса звезды, тем большую светимость она имеет. Так, звезда с массой в десять раз больше массы Солнца имеет в десять тысяч раз большую светимость.
Длительное время потери энергии компенсируются реакциями термоядерного синтеза, протекающими в глубоких недрах звезд. Но после исчерпания ядерных ресурсов звезда начинает остывать. Расчет показывает, что звезды типа нашего Солнца сжигают свои запасы примерно через 10 млрд. лет 1 , а с массой в десять раз большей - уже через 10 млн. лет. Ведь их светимость в 10 000 раз больше. С началом остывания звезда под действием гравитационных сил начинает сжиматься. В зависимости от массы сжатие приводит к трем различным типам объектов (см. рис. 1). Звезды с массой порядка солнечной превращаются в белые карлики - довольно плотные тела (плотность 10 5 - 10 9 г/см 3), имеющие размеры, сравнимые с радиусом Земли. Сила тяжести в белых карликах уравновешена давлением вырожденных электронов, которое обусловлено квантовыми свойствами плотного электронного газа. Для звезд с массой больше чем 1,2 Мс. давление вырожденных электронов уже не в состоянии противодействовать возрастающей силе гравитации, и такие звезды продолжают сжиматься дальше. Если значение массы не превышает 2-3 Мс, то ее сжатие останавливается при плотности атомного ядра 10 14 -10 15 г/см 3 . При такой плотности вещество практически полностью превращается в нейтроны, и сила тяжести уравновешена давлением вырожденного нейтронного газа. Естественно, что такие объекты были названы нейтронными звездами. Радиус нейтронной звезды составляет всего несколько километров. Сжатие исходной звезды, имеющей радиус в миллионы километров, до размеров в десять километров происходит мгновенно (в рамках понятий астрофизики, т. е. со скоростью свободного падения - около часа), и за короткое время выделяется гигантское количество энергии. Внешние части звезды буквально взрываются и разлетаются со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Большая часть энергии при этом излучается в виде электромагнитных волн, так что светимость звезды в течение нескольких дней становится сравнимой с общей светимостью всех звезд в Галактике. Такой взрыв получил название вспышки сверхновой.
1 Возраст Солнца на сегодняшний день 5 млрд. лет.
Наконец, если масса звезды превышает тройную массу Солнца, то уже никакие силы отталкивания не могут остановить процесс сжатия, и он заканчивается релятивистским коллапсом с образованием «черной дыры».
Но это не значит, что возникшие космические объекты будут иметь пропорциональные массы. На причинах этих несоответствий подробно остановился в своем докладе академик Я. Зельдович. Для сил тяготения характерен дефект массы. Могут возникнуть состояния, когда гравитационный дефект массы достигнет 30, 50 и даже 99%.
Теоретические расчеты дают несколько способов рождений «черной дыры» (рис. 2). Во-первых, возможен прямой коллапс массивной звезды, при котором яркость исходной звезды, воспринимаемая далеким наблюдателем, будет быстро падать. Из фиолетовой звезда быстро становится красной, затем инфракрасной, а потом и вовсе погаснет. Хотя она будет по-прежнему излучать энергию, поле тяготения становится столь сильным, что траектории фотонов будут заворачиваться обратно к коллапсирующей звезде. Возможен также следующий путь: центральные части звезды сжимаются в плотное горячее нейтронное ядро с массой больше критической, а затем после быстрого остывания (за время порядка десятков секунд) массивная нейтронная звезда коллапсирует дальше в «черную дыру». Такой двухступенчатый процесс приводит к взрыву наружных частей звезды, аналогичному взрыву сверхновой, с образованием нормальной нейтронной звезды. Наконец, «черная дыра» может образоваться из нейтронной звезды спустя десятки миллионов лет после взрыва сверхновой, когда масса нейтронной звезды в результате выпадания на ее поверхность окружающего межзвездного вещества превысит критическое значение.
Можно ли наблюдать эти три типа конечных объектов звездной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды и «черные дыры»?
Исторически оказалось, что белые карлики были обнаружены задолго до того, как разобрались в теории звездной эволюции. Они наблюдались как компактные белые звезды с большой температурой поверхности. Но откуда они черпают свою энергию, ведь, по теории, источники ядерной энергии в них отсутствуют? Оказывается, они светят за счет запасов тепловой энергии, которая осталась у них от предыдущих, горячих этапов эволюции. Имея малую площадь поверхности, эти звезды теряют свою энергию весьма экономно. Они медленно остывают и за время порядка сотен миллионов лет превращаются в черные карлики, то есть становятся холодными и невидимыми.
Нейтронным звездам повезло больше. Они сначала были открыты теоретиками «на кончике пера», а спустя почти 30 лет после предсказания были обнаружены как источники космического строго периодического излучения - пульсары. (За это открытие А. Хьюишу, руководителю группы английских астрономов, обнаруживших первый пульсар, была присуждена Нобелевская премия.) Наблюдаются пульсары с периодами следования импульсов от сотых долей секунды у самых молодых пульсаров до нескольких секунд у пульсаров, возраст которых составляет десятки миллионов лет. Периодичность пульсаров связана с их быстрым вращением вокруг собственной оси.
Представьте себе прожектор, находящийся на поверхности некоторого вращающегося объекта. Если вы находитесь на пути луча света от такого объекта, то увидите, что излучение от него будет приходить в виде отдельных импульсов с периодом, равным периоду вращения объекта, - это и будет грубая, приближенная, но верная в своей основе модель пульсара. Почему же излучение с поверхности нейтронной звезды уходит в узком конусе углов, как луч света от прожектора? Оказывается, благодаря мощному магнитному полю 10 11 -10 12 гс нейтронная звезда излучает энергию лишь вдоль силовых линий из магнитных полюсов, что в результате вращения приводит к явлению пульсара как космического маяка. Любопытно, что излучаемая в космическое пространство энергия черпается из его энергии вращения, и период вращения пульсара постепенно увеличивается. Время от времени на этот плавный рост периода накладываются сбои частоты, когда пульсар практически мгновенно уменьшает значение периода. Эти сбои вызваны «звездотрясением» нейтронной звезды. По мере замедления вращения в твердой коре нейтронной звезды (см, рис. 3) постепенно накапливаются механические напряжения, и, когда эти напряжения превышают предел прочности, происходит внезапное высвобождение энергии и перестройка твердой коры - пульсар при такой перестройке мгновенно уменьшает свой период вращения.
Как излучают «черные дыры»?
Внешнее гравитационное поле - вот все, что остается от звезды после того, как она коллапсирует и превратится в «черную дыру». Все богатство внешних характеристик звезды - магнитное поле, химический состав, спектр излучения - исчезает в процессе гравитационного коллапса. Представим себе на минутку фантастическую ситуацию, когда наша Земля оказалась бы рядом с «черной дырой» (рис. 4). Земля не просто начала бы падать на «черную дыру», приливные силы начали бы деформировать Землю, вытягивая ее в каплю, прежде чем она полностью поглотилась бы «черной дырой».
«Черная дыра» без вращения характеризуется лишь значением гравитационного радиуса R g , ограничивающего сферу в окрестности «черной дыры», из-под которой никакие сигналы не могут выйти наружу. Если же «черная дыра» имеет еще и угловой момент вращения, то выше гравитационного радиуса появляется область, названная эргосферой. Находясь в эргосфере, частица не может оставаться в покое. При распаде частицы из эргосферы можно извлекать энергию - один осколок падает на «черную дыру», а второй улетает в бесконечность, унося с собой избыток энергии (см. рис. на стр. 44).
Поиск «черных дыр» в нашей Галактике наиболее перспективен в двойных звездных системах. Больше 50% звезд входят в состав двойных систем. Пусть одна из них превратилась в «черную дыру». Если вторая находится на достаточно безопасном расстоянии, то есть приливные силы не разрушают ее, а лишь немного деформируют, то такие две звезды будут по-прежнему вращаться вокруг общего центра тяжести, но одна из них будет невидима. Советские ученые, академик Я. Зельдович и О. Гусейнов, в 1965 году предложили искать «черные дыры» среди тех двойных систем, где невидим более массивный компонент. Более поздние исследования показали, что если оптическая звезда теряет вещество со своей поверхности, то вокруг «черной дыры» может возникнуть светящийся ореол. И сейчас все надежды астрономов связаны с изучением взаимодействия «черных дыр» с веществом, которое их окружает.
Сферическое падение холодного вещества на «черную дыру» не приводит к заметному выделению энергии: у «черной дыры» отсутствует поверхность, при ударе о которую вещество остановилось и высветило бы свою энергию. Но, как показали независимо друг от друга в 1964 году академик Я. Зельдович и американский астрофизик Е. Салпитер, если «черная дыра» «обдувается» направленным потоком газа, то за нею возникает сильная ударная волна, в которой газ нагревается до десятков миллионов градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне спектра. Так происходит, когда оптическая звезда истекает звездным ветром и ее размеры малы по сравнению с некоторой критической полостью, называемой полостью Роша (рис. 5а). Если же звезда заполняет всю полость Роша, то истечение происходит через «узкую горловину» (рис. 56), и вокруг «черной дыры» образуется диск. Вещество в диске по мере потери скорости падает по медленно скручивающейся спирали на «черную дыру». В процессе падения часть гравитационной энергии превращается в тепловую и нагревает диск. Сильнее всего разогреваются близкие к «черной дыре» области диска. Температура в них поднимается до десятков миллионов градусов, и в результате диск, как и в случае ударной волны, главную часть энергии излучает в рентгеновском диапазоне.
Аналогичная картина будет наблюдаться, если вместо «черной дыры» в двойной системе находится нейтронная звезда (рис. 5в). Однако нейтронная звезда обладает сильным магнитным полем. Это поле направляет падающее вещество в область магнитных полюсов, где и происходит выделение основной части энергии в рентгеновском диапазоне. При вращении такой нейтронной звезды мы будем наблюдать явление рентгеновского пульсара.
В настоящее время открыто большое число компактных рентгеновских источников в составе двойных систем. Они были обнаружены по регулярному выключению излучения во время затмения источника соседней оптической звездой. Если само излучение дополнительно промодулировано, то это скорее всего нейтронная звезда, если нет - есть основания считать такой источник «черной дырой». Оценки их масс, которые можно сделать на основании законов Кеплера, показали, что они больше критического предела для нейтронной звезды. Наиболее подробно изучен источник Лебедь X-1 с массой больше 10Мс. По всем своим характеристикам он является «черной дырой».
Долгое время большинство астрофизиков считало, что изолированная «черная дыра», вокруг которой нет никаких частиц, не излучает. Но несколько лет назад известный английский астрофизик С. Хокинг показал, что даже полностью изолированная «черная дыра» должна излучать в космическое пространство фотоны, нейтрино и другие частицы. Этот поток энергии вызван квантовыми явлениями рождения частиц в сильном переменном поле тяготения. При коллапсе звезда асимптотически приближается к значению гравитационного радиуса и достигнет его лишь за бесконечно долгое время. В пустоте вокруг «черной дыры» всегда существует маленькая нестатичность поля. А в нестатических полях должны рождаться новые частицы. Хокинг детально рассчитал процесс излучения «черных дыр» и показал, что с течением времени «черные дыры» уменьшаются, они как бы затягиваются и уменьшаются до сколь угодно малых размеров. В согласии с
полученными формулами квантовое излучение «черной дыры» характеризуется температурой Т ~ 10 -6 Мс/М°К. Таким образом, если масса «черной дыры» порядка солнечной, то эффективная температура излучения ничтожна - 10 -6 °К. Можно вычислить и время жизни «черной дыры»: 
лет. Это время для «черных дыр» звездной массы колоссально велико, и процессы Хокинга не влияют на наблюдаемые проявления «черных дыр» в двойных системах.
Около десяти лет назад во вселенной были открыты удивительнейшие и до сих пор неразгаданные объекты - квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость даже очень больших галактик, то есть квазары светят сильнее, чем сотни миллиардов звезд. Наряду с чудовищно большой светимостью наблюдается еще один удивительный факт - за несколько лет или даже месяцев поток излучения от квазаров может меняться в десятки раз. Переменность излучения свидетельствует о том, что оно рождается в очень компактной области с размерами не больше размеров солнечной системы. Это очень мало для объекта, имеющего колоссальнейшую светимость. Что же это за тела?
Теоретиками было предложено несколько моделей. Одна из них предполагает наличие сверхмассивной звезды с массой, в 10 миллионов раз большей массы нашего Солнца. Такая звезда излучает очень много энергии, но время жизни ее очень мало по космическим масштабам: всего несколько десятков тысяч лет, после чего она остывает и коллапсирует в «черную дыру». В другой модели предполагалось, что квазар представляет собой скопление десятков миллионов горячих массивных звезд (рис. 6). Звезды будут сталкиваться, будут прилипать одна к другой, становиться более массивными, будут эволюционировать. При этом часто будут происходить вспышки сверхновых и наблюдаться колоссальное энерговыделение. Но и в этом случае тесное скопление звезд превращается в сверхмассивную «черную дыру».
Английский астрофизик Д. Линден-Лелл первым задумался о том, как можно обнаружить такую сверхмассивную «черную дыру». Он показал, что падение межзвездного газа, который всегда имеется в межзвездном пространстве вокруг сверхмассивной «черной дыры», приведет к колоссальному энерговыделению. Вокруг «черной дыры» появится ореол излучения со всеми свойствами, наблюдаемыми у квазаров. В настоящее время построена теория излучения квазаров как сверхмассивных «черных дыр», на которые выпадает вещество, однако однозначные доказательства этой модели еще не получены.
Обзор подготовил кандидат физико-математических наук
НИКОЛАЙ ШАКУРА
|
Трактат о «черной дыре»
АЛЕКСАНДР ЯНГЕЛЬ Ну шарада! Знать, недаром Ошарашен астроном... и тот не в силах Из неволи улизнуть. Как он хочет в назначенье |
Таинственные и неуловимые черные дыры. Законы физики подтверждают возможность их существования во вселенной, но сих пор остается множество вопросов. Многочисленные наблюдения показывают, что дыры существуют во вселенной и этих объектов - больше миллиона.
Что такое черные дыры?
Ещё в 1915 году при решении уравнений Эйнштейна было предсказано такое явление как «черные дыры». Однако научное сообщество заинтересовалось ими только в 1967 году. Их тогда называли «сколлапсировавшие звёзды», «застывшие звёзды».
Сейчас черной дырой называют область времени и пространства, которые обладают такой гравитацией, что из неё не может выбраться даже луч света.
Как образуются черные дыры?
Существуют несколько теорий появления черных дыр, которые делятся на гипотетические и реалистичные. Самая простая и распространенная реалистичная - теория гравитационного каллапса больших звезды.
Когда достаточно массивная звезда перед «смертью» разрастается в размерах и становится не стабильной, расходуя последнее топливо. В то же время масса звезды остается неизменной, но её размеры уменьшаются так как происходит, так называемое, уплотнение. Иными словами при уплотнении тяжелое ядро "падает" в само себя. Параллельно с этим уплотнение приводит к резкому повышению температуры внутри звезды и внешние слои небесного тела отрываются, из них образуются новые звезды. В это же время в центре звезды - ядро падает в свой собственный "центр". В результате действия сил гравитации центр обваливается в точку - т.е силы гравитации на столько сильны, что поглощают уплотненное ядро. Так рождается черная дыра, которая начинает искажать пространство и время, что даже свет не может вырваться из неё.
В центрах всех галактик находится сверхмассивная черная дыра. Согласно теории относительности Эйнштейна:
«Любая масса искажает пространство и время».
А теперь представьте, как сильно черная дыра искажает время и пространство, ведь её масса огромна и одновременно втиснута в сверхмалый объем. Из-за этой способности возникает следующая странность:
«Черные дыры обладают способностью практически останавливать время и сжимать пространство. Из-за этого сильнейшего искажения дыры становятся не видимыми для нас».
Если черные дыры не видны, откуда мы знаем, что они существуют?
Да, хоть черная дыра и невидимка, но она должна быть заметна за счет материи, которая падает в неё. А так же звездный газ, который притягивается черной дырой, при приближении к горизонту событий температура газа начинает расти до сверхвысоких значений, что приводит к свечению. Именно поэтому черные дыры светятся. Благодаря такому, хоть и слабому свечению, астрономы и астрофизики объясняют наличие в центре галактики объекта с малым объемом, но огромной массой. В данный момент в результате наблюдений обнаружено порядка 1000 объектов, которые похожи по поведению на черные дыры.
Черные дыры и галактики
Как черные дыры могут влиять на галактики? Этот вопрос мучает ученых всего мира. Есть гипотеза, согласно которой именно черные дыры, находящиеся в центре галактики влияет на её формы и эволюцию. И что при столкновении двух галактик происходит слияние черных дыр и во время этого процесса выбрасывается такое огромное количество энергии и материи, что образуются новые звезды.
Типы черных дыр
- Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
- - Черные дыры звездных масс, она разрастается до огромных размеров и разрушается.
- Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, эквивалентную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все ещё имеют разные гипотизы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно - сверхмассивные черные дыры - побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры - они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность. - - Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
- - Совсем недавно было введено новое понятие как "белые черные дыры". Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
- - Квантовые черные дыры - они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
- - Первичные черные дыры - тоже теория. Они образовались сразу после возникновения.
В данный момент существует большое количество открытых вопросов, на которые ещё предстоит ответить будущим поколениям. Например, могут ли в действительности существовать так называемые "кротовые норы", с помощью которых можно путешествовать по пространству и времени. Что именно происходит внутри черной дыры и каким законам подчиняются эти явления. И как быть с исчезновением информации в черной дыре?
Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.
Для типичной черной дыры звездной массы (M =10M sun) гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·10 14 г/см 3 , то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см 3), она равна плотности вещества атомного ядра.
Для черной дыры в ядре галактики (M =10 10 M sun) гравитационный радиус равен 3·10 15 см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца - равна 150 млн. км или 1,5·10 13 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10 –3 г/см 3 , что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10 –3 г/см 3 (!).
Для Земли (M =3·10 –6 M sun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρ кр = 2·10 27 г/см 3 , что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.
Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света c = 300000 км/с.
Дальше пресс не понадобится - сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет - «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.
Эволюция звезд
Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.
Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством - отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.
Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10 –13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.
Белые карлики
Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4M sun , термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.
Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.
Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик - объект с радиусом порядка радиуса Земли (~10 4 км), массой менее 1,4M sun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 10 10 , то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.
Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4M sun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.
Нейтронные звезды
Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4M sun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.
Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.
Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4M sun , то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4M sun , но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3M sun , то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.
Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.
При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.
Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3M sun , скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.
Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.
Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3M sun , то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.
Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 10 5 –10 6 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10 –3 секунды.
Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары - источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.
У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» - все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.
Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3M sun , испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).
В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.
Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.
«Научная фантастика может быть полезной - она стимулирует воображение и избавляет от страха перед будущим. Однако научные факты могут оказаться намного поразительнее. Научная фантастика даже не предполагала наличия таких вещей, как черные дыры
»
Стивен Хокинг
В глубинах вселенной для человека таится бесчисленное множество загадок и тайн. Одной из них являются черные дыры – объекты, которые не могут понять даже величайшие умы человечества. Сотни астрофизиков пытаются раскрыть природу черных дыр, однако на данном этапе мы еще даже не доказали их существование на практике.
Кинорежиссеры посвящают им свои фильмы, а среди простых людей черные дыры стали настолько культовым явлением, что их отождествляют с концом света и неминуемой гибелью. Их боятся и ненавидят, но при этом боготворят их и преклоняются перед неизвестностью, которую таят в себе эти странные осколки Вселенной. Согласитесь, быть поглощенным черной дырой – та еще романтика. С их помощью можно , а также они могут стать для нас проводниками в .
На популярности черных дыр часто спекулирует желтая пресса. Найти заголовки в газетах, связанные с концом света на планете из-за очередного столкновения со сверхмассивной черной дырой, не проблема. Гораздо хуже то, что малограмотная часть населения все воспринимает это всерьез и поднимает настоящую панику. Чтобы внести толику ясности, мы отправимся в путешествие к истокам открытия черных дыр и попытаемся понять, что же это такое и как к этому относиться.
Невидимые звезды
Так уж сложилось, что современные физики описывают устройство нашей Вселенной с помощью теории относительности, которую человечеству в начале 20 века заботливо предоставил Эйнштейн. Тем более загадочными становятся черные дыры, на горизонте событий которых прекращают действовать все известные нам законы физики и эйнштейновская теория в том числе. Это ли не прекрасно? К тому же, догадку о существовании черных дыр высказали задолго до рождения самого Эйнштейна.
В 1783 году в Англии наблюдался значительный рост научной активности. В те времена наука шла бок о бок с религией, они неплохо уживались вместе, а ученых уже не считали еретиками. Более того, научными изысканиями занимались священники. Одним из таких служителей Бога был английский пастор Джон Мичелл, который задавался не только вопросами бытия, но и вполне научными задачами. Мичелл был весьма титулованным ученым: изначально он был преподавателем математики и древнего языкознания в одном из колледжей, а после этого за ряд открытий был принят в Лондонское королевское общество.
Джон Мичелл занимался вопросами сейсмологии, но на досуге любил поразмыслить о вечном и космосе. Так у него родилась идея о том, что где-то в глубинах Вселенной могут существовать сверхмассивные тела с такой мощной гравитацией, что для преодоления силы тяготения такого тела необходимо двигаться со скоростью равной или выше скорости света. Если принять такую теорию за истину, то развить вторую космическую скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения покидаемого тела) не сможет даже свет, поэтому такое тело останется невидимым для невооруженного глаза.
Свою новую теорию Мичелл обозвал «темными звездами», а заодно попытался вычислить массу таких объектов. Свои мысли по этому поводу он высказал в открытом письме Лондонскому королевскому обществу. К сожалению, в те времена такие изыскания не представляли особой ценности для науки, поэтому письмо Мичелла отправили в архив. Лишь спустя две сотни лет во второй половине 20 века удалось обнаружить его среди тысяч других записей, бережно хранящихся в древней библиотеке.
Первые научные обоснования существования черных дыр
После выхода Общей теории относительности Эйнштейна в свет, математики и физики всерьез взялись за решение представленных немецким ученым уравнений, которые должны были рассказать нам много нового об устройстве Вселенной. Тем же решил заняться и немецкий астроном, физик Карл Шварцшильд в 1916 году.
Ученый с помощью своих вычислений пришел к выводу, что существование черных дыр возможно. Также он первым описал то, что впоследствии назвали романтической фразой «горизонт событий» — воображаемую границу пространства-времени у черной дыры, после пересечения которой наступает точка невозврата. Из-за горизонта событий не вырвется ничто, даже свет. Именно за горизонтом событий наступает так называемая «сингулярность», где известные нам законы физики перестают действовать.
Продолжая развивать свою теорию и решая уравнения, Шварцшильд открывал для себя и мира новые тайны черных дыр. Так, он смог исключительно на бумаге вычислить расстояние от центра черной дыры, где сконцентрирована ее масса, до горизонта событий. Данное расстояние Шварцшильд назвал гравитационным радиусом.
Несмотря на то, что математически решения Шварцшильда были исключительно верны и не могли быть опровергнуты, научное сообщество начала 20 века не могло сразу принять столь шокирующее открытие, и существование черных дыр было списано на уровень фантастики, которая то и дело проявлялась в теории относительности. На ближайшие полтора десятка лет исследование космоса на предмет наличия черных дыр было медленным, и занимались им единичные приверженцы теории немецкого физика.
Звезды, рождающие тьму
После того, как уравнения Эйнштейна были разобраны по полочкам, настало время с помощью сделанных выводов разбираться в устройстве Вселенной. В частности, в теории эволюции звезд. Ни для кого не секрет, что в нашем мире ничто не вечно. Даже звезды имеют свой цикл жизни, пусть и более долгий, нежели человек.
Одним из первых ученых, которые всерьез заинтересовались звездной эволюцией, стал молодой астрофизик Субраманьян Чандрасекар – уроженец Индии. В 1930 году он выпустил научную работу, в которой описывалось предполагаемое внутреннее строение звезд, а также циклы их жизни.
Уже в начале 20 века ученые догадывались о таком явлении, как гравитационное сжатие (гравитационный коллапс). В определенный момент своей жизни звезда начинает сжиматься с огромной скоростью под действием гравитационных сил. Как правило, это происходит в момент смерти звезды, однако при гравитационном коллапсе есть несколько путей дальнейшего существования раскаленного шара.
Научный руководитель Чандрасекара Ральф Фаулер – уважаемый в свое время физик-теоретик – предполагал, что во время гравитационного коллапса любая звезда превращается в более мелкую и горячую – белого карлика. Но вышло так, что ученик «сломал» теорию учителя, которую разделяло большинство физиков начала прошлого века. Согласно работе молодого индуса, кончина звезды зависит от ее изначальной массы. Например, белыми карликами могут становиться только те звезды, чья масса не превышала 1.44 от массы Солнца. Это число было названо пределом Чандрасекара. Если же масса звезды превышала этот предел, то она умирает совсем иначе. При определенных условиях, такая звезда в момент смерти может возродиться в новую, нейтронную звезду – еще одну загадку современной Вселенной. Теория относительности же подсказывает нам еще один вариант – сжатие звезды до сверхмалых величин, и вот здесь начинается самое интересное.
В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.
Теория Ландау понравилась астрофизикам, и они продолжили ее развивать. В 1939 году в Америке благодаря усилиям двух физиков – Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снейдера – появилась теория, подробно описывающая сверхмассивную звезду на момент коллапса. В результате такого события должна была появиться настоящая черная дыра. Несмотря на убедительность доводов, ученые продолжали отрицать возможность существования подобных тел, как и превращение в них звезд. Даже Эйнштейн отстранился от этой идеи, посчитав, что звезда не способна на такие феноменальные превращения. Другие же физики не скупились в высказываниях, называя возможность таких событий нелепыми.
Впрочем, наука всегда достигает истины, стоит лишь немного подождать. Так и получилось.
Самые яркие объекты во Вселенной
Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.
С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды. Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам.
Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе. Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».
Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».
На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.
Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.
Страх бесконечности
Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.
Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.
На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.
Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.
Теория, не доказанная практикой
К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру.
Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп. С большой долей вероятности это черная дыра. Стоит ли ее бояться? – Нет, по-крайней мере не в ближайшие несколько миллиардов лет, но мы можем снять про нее еще один интересный фильм.