January 24th, 2013
Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения об их существовании начали высказываться почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно.
Давайте начнем с того, как общая теория относительности решает вопрос о природе гравитации. Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что между двумя любыми массивными телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения. По причине такого гравитационного притяжения Земля обращается вокруг Солнца. Общая теория относительности заставляет нас взглянуть на систему Солнце—Земля иначе. Согласно этой теории в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, пространство-время как бы проминается под его тяжестью, и равномерность его ткани нарушается. Представьте себе эластичный батут, на котором лежит тяжелый шар (например, от боулинга). Натянутая ткань прогибается под его весом, создавая вокруг разрежение. Таким же образом Солнце продавливает пространство-время вокруг себя.
Согласно этой картине Земля просто катается вокруг образовавшейся воронки (за исключением того, что маленький шарик, катающийся вокруг тяжелого на батуте неизбежно будет терять скорость и по спирали приближаться к большому). И то, что мы привычно воспринимаем как силу земного притяжения в нашей повседневной жизни, также есть ни что иное, как изменение геометрии пространства-времени, а не сила в ньютоновском понимании. На сегодня более удачного объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не придумано.
А теперь представьте, что произойдет, если мы будем — в рамках предложенной картины — увеличивать и увеличивать массу тяжелого шара, не увеличивая при этом его физических размеров? Будучи абсолютно эластичной, воронка будет углубляться до тех пор, пока ее верхние края не сойдутся где-то высоко над совсем потяжелевшим шаром, и тогда он просто перестанет существовать при взгляде с поверхности. В реальной Вселенной, накопив достаточную массу и плотность материи, объект захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, ткань пространства-времени смыкается, и он теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так возникает черная дыра.
Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.
В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?
В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.
09.07.1911 - 13.04.2008
Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).
Важнейшее свойство черной дыры — что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние — это расстояние называется радиусом Шварцшильда, — он уже никогда не сможет вернуться назад. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема.) Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка!
Внутри радиуса Шварцшильда теория предсказывает явления еще более странные: всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением. При бесконечной плотности любая конечная масса материи, математически говоря, занимает нулевой пространственный объем. Происходит ли это явление реально внутри черной дыры, мы, естественно, экспериментально проверить не можем, поскольку всё попавшее внутрь радиуса Шварцшильда обратно не возвращается.
Не имея, таким образом, возможности «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем не менее, можем обнаружить ее присутствие по косвенным признакам влияния ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю вокруг нее.
Сверхмассивные черные дыры
В центре нашего Млечного Пути и других галактик располагается невероятно массивная черная дыра в миллионы раз тяжелее Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры (такое название они получили) были обнаружены по наблюдениям за характером движения межзвездного газа вблизи центров галактик. Газы, судя по наблюдениям, вращаются на близком удалении от сверхмассивного объекта, и простые расчеты с использованием законов механики Ньютона показывают, что объект, притягивающий их, при мизерном диаметре обладает чудовищной массой. Так закрутить межзвездный газ в центре галактики может только черная дыра. Фактически астрофизики нашли уже десятки таких массивных черных дыр в центрах соседних с нашей галактик, и сильно подозревают, что центр любой галактики — суть черная дыра.
Черные дыры со звездной массой
Согласно нашим нынешним представлениям об эволюции звезд, когда звезда с массой, превышающей примерно 30 масс Солнца, гибнет со вспышкой сверхновой, внешняя ее оболочка разлетается, а внутренние слои стремительно обрушиваются к центру и образуют черную дыру на месте израсходовавшей запасы топлива звезды. Изолированную в межзвездном пространстве черную дыру такого происхождения выявить практически невозможно, поскольку она находится в разреженном вакууме и никак не проявляет себя в плане гравитационных взаимодействий. Однако, если такая дыра входила в состав двойной звездной системы (две горячих звезды, обращающихся по орбите вокруг их центра масс), черная дыра будет по-прежнему оказывать гравитационное воздействие на парную ей звезду. Астрономы сегодня имеют более десятка кандидатов на роль звездных систем такого рода, хотя строгих доказательств не получено в отношении ни одной из них.
В двойной системе с черной дырой в ее составе вещество «живой» звезды будет неизбежно «перетекать» в направлении черной дыры. И закручиваться высасываемое черной дырой вещество при падении в черную дыру будет по спирали, исчезая при пересечении радиуса Шварцшильда. При подходе к роковой границе, однако, засасываемое в воронку черной дыры вещество будет неизбежно уплотняться и разогреваться в силу учащения соударений между поглощаемыми дырой частицами, пока не разогреется до энергий излучения волн в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения. Астрономы могут измерить периодичность изменения интенсивности рентгеновского излучения такого рода и вычислить, сопоставив ее с другими доступными данными, примерную массу объекта, «перетягивающего» на себя материю. Если масса объекта превышает предел Чандрасекара (1,4 массы Солнца), этот объект не может являться белым карликом, в которого суждено выродиться нашему светилу. В большинстве выявленных случаев наблюдения подобных двойных рентгеновских звезд массивным объектом является нейтронная звезда. Однако насчитано уже более десятка случаев, когда единственным разумным объяснением является присутствие в двойной звездной системе черной дыры.
Все другие типы черных дыр куда более спекулятивны и основаны исключительно на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования не имеется вовсе. Во-первых, это черные мини-дыры с массой, сопоставимой с массой горы и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен Хокинг (см. Скрытый принцип необратимости времени). Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр, представляющих собой своего рода пену из отбросов мироздания. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около 10-33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.
А что произойдет с наблюдателем, если он вдруг окажется по ту сторону гравитационного радиуса, иначе именуемого горизонтом событий. Здесь начинается самое удивительное свойство черных дыр. Не зря, говоря о черных дырах, мы всегда упоминали время, точнее пространство-время. По теории относительности Эйнштейна, чем быстрее движется тело, тем больше становится его масса, но тем медленнее начинает идти время! На малых скоростях в нормальных условиях этот эффект незаметен, но если тело (космический корабль) движется со скоростью близкой к скорости света, то масса его увеличивается, а время замедляется! При скорости тела равной скорости света, масса обращается в бесконечность, а время останавливается! Об этом говорят строгие математические формулы. Вернемся к черной дыре. Представим себе фантастическую ситуацию, когда звездолет с космонавтами на борту приближается к гравитационному радиусу или горизонту событий. Понятно, что горизонт событий назван так потому, что мы может наблюдать какие-либо события (вообще что-то наблюдать) только до этой границы. Что за этой границей мы наблюдать не в состоянии. Тем не менее, находясь внутри корабля, приближающегося к черной дыре, космонавты будут чувствовать себя, как и раньше, т.к. по их часам время будет идти «нормально». Космический корабль спокойно пересечет горизонт событий, и будет двигаться дальше. Но поскольку скорость его будет близка к скорости света, то до центра черной дыры космический корабль достигнет, буквально, за миг.
А для внешнего наблюдателя космический корабль просто остановится на горизонте событий, и будет находиться там практически вечно! Таков парадокс колоссального тяготения черных дыр. Закономерен вопрос, а останутся ли живы космонавты, уходящие в бесконечность по часам внешнего наблюдателя. Нет. И дело вовсе не в громадном тяготении, а в приливных силах, которые у столь малого и массивного тела сильно меняются на малых расстояниях. При росте космонавта 1 м 70 см приливные силы у его головы будут гораздо меньше, чем у ног и его просто разорвет уже на горизонте событий. Итак, мы в общих чертах выяснили, что такое черные дыры, но речь пока шла о черных дырах звездной массы. В настоящее время астрономам удалось обнаружить сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять миллиард солнц! Сверхмассивные черные дыры по свойствам не отличаются от своих меньших собратьев. Они лишь гораздо массивнее и, как правило, находятся в центрах галактик - звездных островов Вселенной. В центре Нашей Галактики (Млечный Путь) тоже имеется сверхмассивная черная дыра. Колоссальная масса таких черных дыр позволят вести их поиск не только в Нашей Галактике, но и в центрах далеких галактик, находящихся на расстоянии миллионы и миллиарды световых лет от Земли и Солнца. Европейские и американские ученые провели глобальный поиск сверхмассивных черных дыр, которые, согласно современным теоретическим выкладкам, должны находиться в центре каждой галактики.
Современные технологии позволяют выявить наличие этих коллапсаров в соседних галактиках, но обнаружить их удалось совсем немного. Значит, либо черные дыры просто скрываются в плотных газопылевых облаках в центральной части галактик, либо они находятся в более отдаленных уголках Вселенной. Итак, черные дыры можно обнаружить по рентгеновскому излучению, испускаемому во время аккреции вещества на них, и чтобы произвести перепись подобных источников, в околоземное комическое пространство были запущены спутники с рентгеновскими телескопами на борту. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр. Обычно в астрономии говорят о трех типах черных дыр. Первый — черные дыры звездных масс (примерно 10 масс Солнца). Они образуются из массивных звезд, когда в тех заканчивается термоядерное горючее. Второй — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик (массы от миллиона до миллиардов солнечных). И наконец, первичные черные дыры, образовавшиеся в начале жизни Вселенной, массы которых невелики (порядка массы крупного астероида). Таким образом, большой диапазон возможных масс черных дыр остается незаполненным. Но где эти дыры? Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.
Сверхмассивная черная дыра (окрестности) в центре галактики M87 (рентгеновское изображение). Виден выброс (джет) от горизонта событий. Изображение с сайта www.college.ru/astronomy
Поиск скрытых черных дыр — одна из главных задач современной рентгеновской астрономии. Последние прорывы в этой области, связанные с исследованиями при помощи телескопов «Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского излучения — приблизительно 2000-20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000-300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.
Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной. Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Тем временем ученые из NASA планируют расширить диапазон поиска скрытых черных дыр еще дальше во Вселенную. Именно там находится подводная часть айсберга, считают они. В течение нескольких месяцев исследования будут проводиться в рамках миссии «Свифт» (Swift). Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.
Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в полет тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена» самым варварским способом (разорванная в клочья). Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В центре Млечного Пути так же находится сверхмассивная черная дыра, но ее труднее изучать, чем дыры в соседних или даже далеких галактиках. Это связано с плотной стеной газа и пыли, встающей на пути центру Нашей Галактики, ведь Солнечная система находится почти на краю галактического диска. Поэтому наблюдения активности черных дыр гораздо эффективней у тех галактик, ядро которых хорошо просматривается. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.
Мощная гравитация черной дыры разорвала звезду на части. Сгустки вещества начали падать на черную дыру и при достижении горизонта событий, ярко вспыхивать в ультрафиолетовом диапазоне. Эти вспышки и зафиксировал новый космический телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, изучающий небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня продолжает наблюдать за поведением отличившегося объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не закончилась, а остатки звезды продолжают падать в бездну времени и пространства. Наблюдения таких процессов, в конце концов, помогут лучше понять, как черные дыры развиваются вместе с их родительскими галактиками (или, наоборот, галактики развиваются с родительской черной дырой). Более ранние наблюдения показывают, что подобные эксцессы не редкость во Вселенной. Ученые подсчитали, что в среднем звезда поглощается сверхмассивной черной дырой типичной галактики один раз в 10000 лет, но поскольку галактик большое количество, то наблюдать поглощения звезд можно гораздо чаще.
источник
Рассмотрите загадочные и невидимые черные дыры во Вселенной: интересные факты, исследование Эйнштейна, сверхмассивные и промежуточные типы, теория, строение.
– одни из наиболее интересных и таинственных объектов в космическом пространстве. Обладают высокой плотностью, а гравитационная сила настолько мощная, что даже свету не удается вырваться за ее пределы.
Впервые о черных дырах заговорил Альберт Эйнштейн в 1916 году, когда создал общую теорию относительности. Сам термин возник в 1967 году благодаря Джону Уилеру. А первую черную дыру «заметили» в 1971 году.
Классификация черных дыр включает три типа: черные дыры звездной массы, сверхмассивные и черные дыры средней массы. Обязательно посмотрите видео про черные дыры, чтобы узнать много интересных фактов и познакомиться с этими загадочными космическими формированиями поближе.
Интересные факты о черных дырах
- Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
- Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
- Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
- Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
- Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
- По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
- Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.
Опасность черных дыр
Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.
Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры
Конечно, ничто во Вселенной не сравнится с устрашающими сверхмассивными черными дырами. Они превосходят солнечную массу в миллиарды раз. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые пока не знают всех тонкостей процесса формирования. Скорее всего, они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа.
Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.
Черные дыры в центрах галактик
Астрофизик Ольга Сильченко об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах:
Природа космических радиоисточников
Астрофизик Анатолий Засов о синхротронном излучении, черных дырах в ядрах далеких галактик и нейтральном газе:
Промежуточные черные дыры
Не так давно ученые нашли новый вид - черные дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды в скоплении сталкиваются, поддавшись цепной реакции. В итоге, падают в центр и формируют сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили промежуточный тип в рукаве спиральной галактики. Их очень сложно найти, потому что могут располагаться в непредсказуемых местах.
Микрочерные дыры
Физик Эдуард Боос о безопасности БАК, рождении микрочерной дыры и понятии мембраны:
Теория черных дыр
Черные дыры - чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.
Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.
– удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.
В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.
Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.
Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.
Аккреция
Астрофизик Сергей Попов о сверхмассивных черных дырах, образовании планет и аккреции вещества в ранней Вселенной:
Наиболее известные черные дыры
Часто задаваемые вопросы о черных дырах
Если более емко, то черная дыра - определенный участок в космосе, в котором сконцентрировано такое огромное количество массы, что ни одному объекту не удается избежать гравитационного влияния. Когда речь идет о гравитации, мы полагаемся на общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном. Чтобы разобраться в деталях изучаемого объекта, будем двигаться поэтапно.
Давайте представим, что вы находитесь на поверхности планеты и подбрасываете булыжник. Если вы не обладаете мощью Халка, то не сможете приложить достаточно силы. Тогда камень поднимется на определенную высоту, но под давлением гравитации рухнет обратно. Если же у вас есть скрытый потенциал зеленого силача, то вы способны придать объекту достаточное ускорение, благодаря которому он полностью покинет зону гравитационного воздействия. Это называется «скорость убегания».
Если разбить на формулу, то эта скорость зависит от планетарной массы. Чем она больше, тем мощнее гравитационный захват. Скорость вылета будет полагаться на то, где именно вы находитесь: чем ближе к центру, тем проще выбраться. Скорость вылета нашей планеты – 11.2 км/с, а вот – 2.4 км/с.
Приближаемся к самому интересному. Допустим у вас есть объект с невероятной концентрацией массы, собранной в крошечном месте. В таком случае скорость убегания превышает скорость света. А мы знаем, что ничто не движется быстрее этого показателя, а значит, никто не сможет преодолеть такую силу и сбежать. Даже световому лучу это не под силу!
Еще в 18 веке Лаплас размышлял над чрезвычайной концентрацией массы. После общей теории относительности Карл Шварцшильд смог найти математическое решение для уравнения теории, чтобы описать подобный объект. Дальше свою лепту внесли Оппенгеймер, Волькофф и Снайдер (1930-е гг.). С того момента люди начали обсуждать эту тему всерьез. Стало ясно: когда у массивной звезды заканчивается топливо, она не способна противостоять силе гравитации и обязана рухнуть в черную дыру.
В теории Эйнштейна гравитация выступает проявлением кривизны в пространстве и времени. Дело в том, что обычные геометрические правила здесь не работают и массивные объекты искажают пространство-время. Черная дыра обладает причудливыми свойствами, поэтому ее искажение видно отчетливее всего. Например, у объекта есть «горизонт событий». Это поверхность сферы, отмечающая черту дыры. То есть, если вы перешагнете этот предел, то назад пути нет.
Если буквально, то это место, где скорость убегания приравнивается к световой. Вне этого места скорость убегания уступает скорости света. Но если ваша ракета способна разогнаться, то энергии хватит на побег.
Сам горизонт довольно странный с точки зрения геометрии. Если вы расположены далеко, то вам покажется, что смотрите на статическую поверхность. Но если подойти ближе, то приходит осознание, что она движется наружу со световой скоростью! Теперь понятно, почему легко войти, но так сложно сбежать. Да, это очень запутанно, ведь фактически горизонт стоит на месте, но одновременно и мчится со скоростью света. Это как в ситуации с Алисой, которой нужно было бежать максимально быстро, чтобы просто остаться на месте.
При попадании в горизонт, пространство и время переживают такое сильное искажение, что координаты начинают описывать роли радиального расстояния и времени переключения. То есть «r», отмечающая дистанцию от центра, становится временной, а за «пространственность» теперь отвечает «t». В итоге, вы не сможете перестать передвигаться с меньшим показателем r, как и не способны в обычном времени попасть в будущее. Вы придете к сингулярности, где r = 0. Можно выбрасывать ракеты, запускать двигатель на максимум, но вам не убежать.
Термин «черная дыра» придумал Джон Арчибальд Уилер. До этого их называли «остывшими звездами».
Физик Эмиль Ахмедов об изучении черных дыр, Карле Шварцшильде и гигантских черных дырах:
Существует два способа вычислить, насколько что-то велико. Можно назвать массу или какую величину занимает участок. Если брать первый критерий, то нет конкретного предела массивности черной дыры. Можно использовать любое количество, если вы способны сжать ее до необходимой плотности.
Большая часть этих образований появилась после смерти массивных звезд, поэтому можно ожидать, что их вес должен быть равнозначен. Типичная масса для такой дыры должна быть в 10 раз больше солнечной – 10 31 кг. Кроме того, в каждой галактике должна проживать центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса превосходит солнечную в миллион раз – 10 36 кг.
Чем массивнее объект, тем больше массы охватывает. Радиус горизонта и масса прямо пропорциональны, то есть, если черная дыра весит в 10 раз больше другой, то и ее радиус в 10 раз крупнее. Радиус дыры с солнечной массивностью равняется 3 км, а если в миллион раз больше, то 3 миллиона км. Кажется, что это невероятно массивные вещи. Но не будем забывать, что для астрономии это стандартные понятия. Солнечный радиус достигает 700000 км, а у черной дыры у в 4 раза больше.
Допустим, что вам не повезло и ваш корабль неумолимо движется к сверхмассивной черной дыре. Нет смысла бороться. Вы просто выключили двигатели и идете навстречу неизбежному. Чего ожидать?
Начнем с невесомости. Вы пребываете в свободном падении, поэтому экипаж, корабль и все детали невесомы. Чем ближе подходите к центру отверстия, тем сильнее ощущаются приливные гравитационные силы. Например, ваши ноги ближе к центру, чем голова. Тогда вам начинает казаться, что вас растягивают. В итоге, вас просто разорвет на части.
Эти силы неприметны, пока вы не подойдете на удаленность в 600000 км от центра. Это уже после черты горизонта. Но мы говорим об огромном объекте. Если вы падаете в дыру с солнечной массой, то приливные силы охватили бы вас в 6000 км от центра и разорвали до того, как вы подошли к горизонту (поэтому мы отправляем вас в большую, чтобы смогли умереть уже внутри дыры, а не на подходе).
Что внутри? Не хочется разочаровывать, но ничего примечательного. Некоторые объекты могут искажаться по внешнему виду и больше ничего необычного. Даже после перехода горизонта вы будете видеть вещи вокруг себя, так как они движутся с вами.
Сколько на все это уйдет времени? Все завит от вашей удаленности. Например, вы начали с точки покоя, где сингулярность в 10 раз больше радиуса дыры. Для подхода к горизонту понадобится лишь 8 минут, а затем еще 7 секунд, чтобы войти в сингулярность. Если падаете в маленькую черную дыру, то все произойдет быстрее.
Как только перешагнете горизонт, можете стрелять ракетами, кричать и плакать. На все это у вас 7 секунд, пока не попадете в сингулярность. Но ничего уже не спасет. Поэтому просто насладитесь поездкой.
Допустим, вы обречены и падаете в дыру, а ваш друг/подруга наблюдает за этим издалека. Ну, он увидит все по-другому. Заметит, что ближе к горизонту вы замедлите свой ход. Но даже если человек просидит сотню лет, он так и не дождется, когда вы достигнете горизонта.
Попробуем объяснить. Черная дыра могла появиться из коллапсирующей звезды. Так как материал разрушается, то Кирилл (пусть будет вашим другом) видит его уменьшение, но никогда не заметит подхода к горизонту. Именно поэтому их называли «замороженными звездами», ведь кажется, будто они замерзают с определенным радиусом.
В чем же дело? Назовем это оптической иллюзией. Для формирования дыры не нужна бесконечность, как и для перехода через горизонт. По мере вашего подхода свету требуется больше времени, чтобы добраться к Кириллу. Если точнее, то излучение в реальном времени от вашего перехода зафиксируется у горизонта навечно. Вы уже давно перешагнули за линию, а Кирилл все еще наблюдает световой сигнал.
Или же можно подойти с другой стороны. Время тянется дольше возле горизонта. Например, вы обладаете супермощным кораблем. Вам удалось приблизиться к горизонту, побыть там пару минут и выбраться живым к Кириллу. Кого же вы увидите? Старика! Ведь для вас время текло намного медленнее.
Что тогда верно? Иллюзия или игра времени? Все зависит от используемой системы координат при описании черной дыры. Если полагаться на координаты Шварцшильда, то при пересечении горизонта временная координата (t) приравнивается к бесконечности. Но показатели этой системы предоставляют размытое представление того, что происходит возле самого объекта. У линии горизонта все координаты искажаются (сингулярность). Но вам можно использовать обе системы координат, поэтому два ответа имеют силу.
В реальности вы просто станете невидимкой, и Кирилл перестанет вас видеть еще до того, как пройдет много времени. Не стоит забывать о красном смещении. Вы излучаете наблюдаемый свет на определенной волне, но Кирилл увидит его на более длинной. Волны удлиняются по мере приближения к горизонту. Кроме того, не стоит забывать, что излучение происходит в определенных фотонах.
Например, в момент перехода вы отправите последний фотон. Он достигнет Кирилла в определенное конечное время (примерно час для сверхмассивной черной дыры).
Конечно, нет. Не забывайте про существование горизонта событий. Только из этой области вы не можете выбраться. Достаточно просто не приближаться к ней и чувствуйте себя спокойно. Более того, с безопасного расстояния вам этот объект будет казаться самым обычным.
Информационный парадокс Хокинга
Физик Эмиль Ахмедов о действии гравитации на электромагнитные волны, информационном парадоксе черных дыр и принципе предсказуемости в науке:
Не паникуйте, так как Солнцу никогда не трансформироваться в подобный объект, потому что ему просто не хватит массы. Тем более, что оно будет сохранять свой теперешний внешний вид еще 5 миллиардов лет. Затем перейдет к этапу красного гиганта, поглотив Меркурий, Венеру и хорошо поджарив нашу планету, а затем станет обычным белым карликом.
Но давайте предадимся фантазии. Итак, Солнце стало черной дырой. Начнем с того, что сразу нас укутает темнота и холод. Земля и прочие планеты не будут всасываться в дыру. Они продолжат вращаться вокруг нового объекта по обычным орбитам. Почему? Потому что горизонт будет достигать всего 3 км, и гравитация ничего не сможет с нами сделать.
Да. Естественно, мы не можем полагаться на видимое наблюдение, так как свету не удается вырваться. Но есть косвенные улики. Например, вы видите участок, в котором может быть черная дыра. Как это проверить? Начните с измерения массы. Если видно, что в одной области ее слишком много или она как бы незаметна, то вы на верном пути. Есть две точки поиска: галактический центр и двойные системы с рентгеновским излучением.
Таким образом, в 8 галактиках нашли массивные центральные объекты, чья масса ядер колеблется от миллиона до миллиарда солнечных. Массу вычисляют через наблюдение за скоростью вращения звезд и газа вокруг центра. Чем быстрее, тем больше должна быть масса, чтобы удержать их на орбите.
Эти массивные объекты считают черными дырами по двум причинам. Ну, больше просто нет вариантов. Нет ничего массивнее, темнее и компактнее. К тому же есть теория, что у всех активных и крупных галактиках в центре прячется такой монстр. Но все же это не 100% доказательства.
Но в пользу теории говорят две последних находки. У ближайшей активной галактики заметили систему «водяного мазера» (мощный источник микроволнового излучения) возле ядра. При помощи интерферометра ученые отобразили распределение газовых скоростей. То есть, они измерили скорость в пределах половины светового года в галактическом центре. Это помогло им понять, что внутри расположен массивный объект, чей радиус достигает половины светового года.
Вторая находка убеждает еще больше. Исследователи при помощи рентгена наткнулись на спектральную линию галактического ядра, указывающую на присутствие рядом атомов, скорость движения которых невероятно высокая (1/3 световой). Кроме того, излучение соответствовало красному смещению, что отвечает горизонту черной дыры.
Еще один класс можно найти в Млечном Пути. Это звездные черные дыры, формирующиеся после взрыва сверхновой. Если бы они существовали отдельно, то даже вблизи мы бы вряд ли ее заметили. Но нам везет, ведь большинство существуют в двойных системах. Их легко отыскать, так как черная дыра будет тянуть массу своего соседа и влиять на него гравитацией. «Вырванный» материал формирует аккреционный диск, в котором все нагревается, а значит, создает сильное излучение.
Предположим, вам удалось найти двойную систему. Как понять, что компактный объект представляет собою черную дыру? Снова обращаемся к массе. Для этого измерьте орбитальную скорость соседней звезды. Если масса невероятно огромная при таких малых размерах, то вариантов больше не остается.
Это сложный механизм. Подобную тему Стивен Хокинг затронул еще в 1970-х годах. Он говорил, что черные дыры не совсем «черные». Там присутствуют квантово-механические эффекты, заставляющие ее создавать излучение. Постепенно дыра начинает сжиматься. Скорость излучения растет с уменьшением массы, поэтому дыра излучает все больше и ускоряет процесс сжатия, пока не растворится.
Однако, это лишь теоретическая схема, ведь никто не может точно сказать, что происходит на последнем этапе. Некоторые думают, что остается небольшой, но стабильный след. Современные теории не придумали пока ничего лучше. Но сам процесс невероятен и сложен. Приходится вычислять параметры в искривленном пространстве-времени, а сами результаты не поддаются проверке в привычных условиях.
Здесь можно воспользоваться Законом сохранения энергии, но только для коротких продолжительностей. Вселенная может создавать энергию и массу с нуля, но только они должны быстро исчезать. Одно из проявлений – вакуумные флуктуации. Пары частиц и античастиц вырастают из ниоткуда, существуют определенный недолгий срок и гибнут во взаимном уничтожении. При их появлении энергетический баланс нарушается, но все восстанавливается после исчезновения. Кажется фантастикой, но этот механизм подтвержден экспериментально.
Допустим, одна из вакуумных флуктуаций действует возле горизонта черной дыры. Возможно, одна из частиц падает внутрь, а вторая убегает. Сбежавшая забирает с собою часть энергии дыры и может попасть на глаза наблюдателю. Ему покажется, что темный объект просто выпустил частицу. Но процесс повторяется, и мы видим непрерывный поток излучения из черной дыры.
Мы уже говорили, что Кириллу кажется, будто вам нужна бесконечность, чтобы перешагнуть через линию горизонта. Кроме того, упоминалось, что черные дыры испаряются через конечный временной промежуток. То есть, когда вы достигнете горизонта, дыра исчезнет?
Нет. Когда мы описывали наблюдения Кирилла, мы не говорили о процессе испарения. Но, если этот процесс присутствует, то все меняется. Ваш друг увидит, как вы перелетите через горизонт именно в момент испарения. Почему?
Над Кириллом властвует оптическая иллюзия. Излучаемому свету в горизонте событий нужно много времени, чтобы добраться к другу. Если дыра длится вечно, то свет может идти бесконечно долго, и Кирилл не дождется перехода. Но, если дыра испарилась, то свет уже ничто не остановит, и он доберется к парню в момент взрыва излучения. Но вам уже все равно, ведь вы давно погибли в сингулярности.
В формулах общей теории относительности есть интересная особенность – симметричность во времени. Например, в любом уравнении вы можете представить, что время течет назад и получите другое, но все же правильно, решение. Если применить этот принцип к черным дырам, то рождается белая дыра.
Черная дыра – определенная область, из которой ничто не может выбраться. Но второй вариант, это белая дыра, в которую ничто не может упасть. Фактически, она все отталкивает. Хотя, с математической точки зрения, все выглядит гладко, но это не доказывает их существование в природе. Скорее всего, их нет, как и способа это выяснить.
До этого момента мы говорили о классике черных дыр. Они не вращаются и лишены электрического заряда. А вот в противоположном варианте начинается самое интересное. Например, вы можете попасть внутрь, но избежать сингулярности. Более того, ее «внутренность» способна контактировать с белой дырой. То есть, вы попадете в своеобразный туннель, где черная дыра – вход, а белая – выход. Подобную комбинацию называют червоточиной.
Интересно, что белая дыра может находиться в любом месте, даже в другой Вселенной. Если уметь управлять такими червоточинами, то мы обеспечим быструю транспортировку в любую область пространства. А еще круче – возможность путешествий во времени.
Но не пакуйте рюкзак, пока не узнаете несколько моментов. К сожалению, велика вероятность, что таких формирований нет. Мы уже говорили, что белые дыры – вывод из математических формул, а не реальный и подтвержденный объект. Да и все наблюдаемые черные дыры создают падение материи и не формируют червоточин. И конечная остановка – сингулярность.
- в нашей галактике было много таких регионов в прошлом;
- крупнейшие звездообразующие регионы сосредоточены вдоль спиральных рукавов и по направлению к галактическому центру;
- где мы видим пульсары (останки нейтронных звезд) и источники гамма-лучей сегодня, будут черные дыры,
мы можем составить карту и показать на ней, где будут черные дыры.
Спутник NASA «Ферми» составил карту высоких энергий Вселенной в высоком разрешении. Черные дыры в галактике на карте вероятнее всего будут следовать выбросам с небольшим разбросом и разрешаться миллионами отдельных источников
Это карта гамма-лучевых источников неба, составленная «Ферми». Она похожа на звездную карту нашей галактики, разве что сильно высвечивает галактический диск. Более старые источники обеднели на гамма-лучи, поэтому это относительно новые точечные источники.
По сравнению с этой картой, карта черных дыр будет:
- более сосредоточенной в галактическом центре;
- чуть более размытой по ширине;
- включать галактическую выпуклость;
- состоять из 100 миллионов объектов, плюс-минус погрешность.
Если создать гибрид карты «Ферми» (выше) и карту галактики COBE (ниже), можно получить количественную картину расположения черных дыр в галактике.
Галактика, видимая в инфракрасном от COBE . Хотя эта карта показывает звезды, черные дыры будут следовать похожему распределению, хоть и более сжатому в галактической плоскости и более централизованному к выпуклости
Черные дыры реальные, распространены и подавляющее большинство из них крайне трудно обнаружить сегодня. Вселенная существует очень давно, и хотя мы видим огромное число звезд, большинство из самых массивных звезд - 95% и больше - уже давно погибли. Чем они стали? Около четверти из них стали черными дырами, миллионы еще скрываются.
Черная дыра в миллиарды раз массивнее Солнца питает рентгеновский джет в центре M 87, но в этой галактике должны быть миллиарды других черных дыр. Их плотность будет сосредоточена в галактическом центре
Эллиптические галактики закручивают черные дыры в эллиптический рой, скапливающийся вокруг галактического центра, примерно как и звезды, что мы видим. Многие черные дыры со временем мигрируют в гравитационный колодец в центре галактики - поэтому сверхмассивные черные дыры и становятся сверхмассивными. Но мы пока не видим этой картины целиком. И не увидим, пока не научимся качественно визуализировать черные дыры.
В отсутствие прямой визуализации, наука дает нам только это и рассказывает кое-что примечательное: на каждую тысячу звезд, что мы видим сегодня, есть примерно одна черная дыра. Неплохая статистика для совершенно невидимых объектов, согласитесь.
Дата публикации: 27.09.2012Большинство людей смутно или неправильно представляют себе, что такое чёрные дыры. Между тем, это настолько глобальные и мощные объекты Вселенной, по сравнению с которыми наша Планета и вся наша жизнь - ничто.
Сущность
Это космический объект, обладающий настолько огромной гравитацией, что поглощает всё, что попадёт в его пределы. По сути, чёрная дыра - это объект, который не выпускает даже свет и искривляет пространство-время. Даже время возле чёрных дыр течёт медленнее.
На самом деле, существование чёрных дыр - это только теория (и немного практики). У учёных есть предположения и практические наработки, но плотно изучить чёрные дыры пока не удалось. А потому чёрными дырами называют условно все объекты, подходящие под данное описание. Чёрные дыры мало изучены, а потому очень много вопросов остаются нерешёнными.
У любой чёрной дыры есть горизонт событий - та граница, после которой ничто уже не сможет выбраться. Более того, чем ближе объект находится к чёрной дыре, тем он медленнее движется.
Образование
Существует несколько видов и способов образования чёрных дыр:
- образование чёрных дыр в результате образования Вселенной. Такие чёрные дыры появились сразу после Большого Взрыва.
- умирающие звёзды. Когда звезда теряет свою энергию и термоядерные реакции прекращаются - звезда начинает сжиматься. В зависимости от степени сжатия, выделяют нейтронные звёзды, белые карлики и, собственно, чёрные дыры.
- получение с помощью эксперимента. Например, в коллайдере можно создать квантовую чёрную дыру.
Версии
Многие учёные склонны к мнению, что чёрные дыры всю поглощённую материю выбрасывают в другом месте. Т.е. должны существовать «белые дыры», которые действуют по иному принципу. Если в чёрную дыру можно попасть, но нельзя выбраться, то в белую дыру, наоборот, не попасть. Главный аргумент учёных - это зафиксированные в космосе резкие и мощные выплески энергии.
Сторонники теории струн вообще создали свою модель чёрной дыры, которая не уничтожает информацию. Их теория называется «Fuzzball» - она позволяет ответить на вопросы, связанные с сингулярностью и исчезновением информации.
Что такое сингулярность и исчезновение информации? Сингулярность - это такая точка в пространстве, характеризующаяся бесконечным давлением и плотностью. Многих смущает факт сингулярности, ведь физики не могут работать с бесконечными числами. Многие уверены, что сингулярность в чёрной дыре есть, но её свойства описываются весьма поверхностно.
Если говорить простым языком, то все проблемы и недопонимание выходит из соотношения квантовой механики и гравитации. Пока учёные не могут создать теорию, объединяющую их. А потому и возникают проблемы с чёрной дырой. Ведь чёрная дыра вроде как уничтожает информацию, но при этом нарушаются основы квантовой механики. Хотя совсем недавно С.Хокинг, вроде бы, решил данный вопрос, заявив что информация в чёрных дырах всё-таки не уничтожается.
Стереотипы
Во-первых, чёрные дыры не могут существовать бесконечно долго. А всё благодаря испарению Хокинга. А потому не нужно думать, что чёрные дыры рано или поздно поглотят Вселенную.
Во-вторых, наше Солнце не станет чёрной дырой. Так как массы нашей звезды будет недостаточно. Наше солнце скорее превратится в белого карлика (и то не факт).
В-третьих, Большой Адронный Коллайдер не уничтожит нашу Землю, создав чёрную дыру. Даже если они специально создадут чёрную дыру и «выпустят» её, то из-за её малых размеров, она будет поглощать нашу планету очень и очень долго.
В-четвёртых, не нужно думать, что чёрная дыра - это «дыра» в космосе. Чёрная дыра - это сферический объект. Отсюда большинство мнений, что чёрные дыры ведут в параллельную Вселенную. Однако этот факт пока ещё не удалось доказать.
В-пятых, чёрная дыра не имеет цвета. Её обнаруживают либо по рентгеновскому излучению, либо на фоне других галактик и звёзд (эффект линзы).
Из-за того, что люди часто путают чёрные дыры с червоточинами (которые на самом деле существуют), то среди обычных людей данные понятия не различаются. Червоточина и вправду позволяет перемещаться в пространстве и времени, но пока только в теории.
Сложные вещи простым языком
Сложно описывать такой феномен как чёрная дыра простым языком. Если вы считаете себя технарём, разбирающимся в точных науках, то советую почитать труды учёных непосредственно. Если же вы хотите узнать об этом феномене больше, то почитайте труды Стивена Хокинга. Он многое сделал для науки, и особенно в сфере чёрных дыр. Именно в честь него названо испарение чёрных дыр. Он является сторонником педагогического подхода, а потому все его труды будут понятны даже обычному человек.
Книги:
- «Чёрные дыры и молодые Вселенные» 1993 года.
- «Мир в ореховой скорлупке 2001» года.
- «Кратчайшая история Вселенной 2005» года.
Особенно хочу порекомендовать его научно-популярные фильмы, которые расскажут вам понятным языком не только о чёрных дырах, но и о Вселенной вообще:
- «Вселенная Стивена Хокинга» - сериал из 6 эпизодов.
- «Вглубь Вселенной со Стивеном Хокингом» - сериал из 3 эпизодов.
Все эти фильмы переведены на русский язык, их часто показываются на каналах Discovery.
Спасибо за внимание!
Последние советы раздела «Наука & Техника»:
Вам помог этот совет? Вы можете помочь проекту, пожертвовав на его развитие любую сумму по своему усмотрению. Например, 20 рублей. Или больше:)
«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 |
