Черная дыра

ЧЕРНАЯДЫРА, область в пространстве, возникшая врезультате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационноепритяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информациине могут ее покинуть.Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связанас остальной Вселенной происходящие внутри черной дыры физические процессы немогут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойствомоднонаправленной мембраны вещество и излучение свободно падает сквозь нее в чернуюдыру, но оттуда ничто не может выйти.

Эту поверхность называют горизонтомсобытий . Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существованиечерных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшееизложение основывается главным образом на теоретических результатах.Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности теорией гравитации,предложенной Эйнштейном в 1915 и другими, более современными теориями тяготения,были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х.Снайдером в 1939. Но свойствапространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, чтоастрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно.

Однако астрономическиеоткрытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможнуюфизическую реальность.Их открытие и изучение может принципиально изменить нашипредставления о пространстве и времени. Образование черных дыр. Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживаютвысокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственнойгравитации.

Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то онавыиграет битву с гравитацией ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением вырожденного вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтроннуюзвезду.Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановитьее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став чернойдырой.

У сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферус окружностью по экватору в 2p раз большей гравитационного радиуса черной дырыRG 2GM c2, где c скоростьсвета, а G постоянная тяготения.Черная дыра с массой 3 солнечных имеетгравитационный радиус 8,8 км. Если астроном будет наблюдать звезду в момент ее превращения в чернуюдыру, то сначала он увидит, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мереприближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться,пока не остановится совсем.

При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть,пока не потухнет совсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силойтяжести свет теряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя.Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее светупотребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя и при этом фотоны полностьюпотеряют свою энергию . Следовательно, астроном никогда не дождется этого моментаи тем более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом событий.

Нотеоретически этот процесс исследовать можно. Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткоевремя звезда сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотностии тяготения.Такую точку называют сингулярностью . Более того, общий математическийанализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапсприводит к сингулярности.

Однако все это верно лишь в том случае, если общая теорияотносительности применима вплоть до очень маленьких пространственных масштабов,в чем мы пока не уверены. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теориягравитации пока не создана.Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатиезвезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населенииГалактики указывают, что среди 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черныхдыр, образовавшихся при коллапсе самых массивных звезд.

К тому же черные дыры оченьбольшой массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей. Как уже отмечалось, в нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса,более чем втрое превышающая солнечную.Однако сразу после Большого взрыва, с которогоок. 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дырылюбой массы.

Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться,потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц.Но первичные черные дыры с массой более 1015 г могли сохраниться до наших дней. Все расчеты коллапса звезд делаются в предположении слабого отклоненияот сферической симметрии и показывают, что горизонт событий формируется всегда.Однако при сильном отклонении от сферической симметрии коллапс звезды может привестик образованию области с бесконечно сильной гравитацией, но не окруженной горизонтомсобытий ее называют голой сингулярностью . Это уже не черная дыра в том смысле,как мы обсуждали выше. Физические законы вблизи голой сингулярности могут иметьвесьма неожиданный вид. В настоящее время голая сингулярность рассматривается какмаловероятный объект, тогда как в существование черных дыр верит большинство астрофизиков.Свойства черных дыр. Для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайнопростой.

В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды по часамудаленного наблюдателя все ее внешние особенности, связанные с неоднородностьюисходной звезды, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаясястационарная черная дыра забывает всю информацию об исходной звезде, кроме трехвеличин полной массы, момента импульса связанного с вращением и электрическогозаряда.

Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда извещества или антивещества, имела ли она форму сигары или блина и т.п. В реальныхастрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвезднойсреды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым.

Оставшийсястационарный объект либо будет невращающейся шварцшильдовой черной дырой , котораяхарактеризуется только массой, либо вращающейся керровской черной дырой , котораяхарактеризуется массой и моментом импульса.

Единственность указанных выше типовстационарных черных дыр была доказана в рамках общей теории относительности В.Израэлем,Б.Картером, С.Хокингом и Д.Робинсоном. Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляютсягравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизичерных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеютв виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек.Например, роль часовможет играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых междудвумя событиями можно назвать интервалом времени . Замечательно, что гравитациядействует на все физические системы одинаково все часы показывают, что время замедляется,а все линейки что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает,что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени.

Вдали отчерной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигатьсявокруг нее по окружности.

Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описываетсятеорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительносильнее, чем предсказывает ньютонова теория. Любое тело, падающее на черную дыру,задолго до пересечения горизонта событий будет разорвано на части мощными приливнымигравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстоянияхот центра.Черная дыра всегда готова поглотить вещество или излучение, увеличивэтим свою массу.

Ее взаимодействие с окружающим миром определяется простым принципомХокинга площадь горизонта событий черной дыры никогда не уменьшается, если не учитыватьквантового рождения частиц. Дж. Бекенстейн в 1973 предположил, что черные дыры подчиняются темже физическим законам, что и физические тела, испускающие и поглощающие излучение модель абсолютно черного тела . Под влиянием этой идеи Хокинг в 1974 показал,что черные дыры могут испускать вещество и излучение, но заметно это будет лишьв том случае, если масса самой черной дыры относительно невелика.

Такие черные дырымогли рождаться сразу после Большого взрыва, с которого началось расширение Вселенной.Массы этих первичных черных дыр должны быть не более 1015 г как у небольшогоастероида , а размер 10-15 м как у протона или нейтрона . Мощное гравитационное поле вблизичерной дыры рождает пары частица античастица одна из частиц каждой пары поглощаетсядырой, а вторая испускается наружу.Черная дыра с массой 1015 г должновести себя как тело с температурой 1011 К. Идея об испарении черныхдыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способныхизлучать.

Поиск черных дыр. Расчеты в рамках общей теории относительности Эйнштейна указывают лишьна возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальноммире открытие настоящей черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики.Поискизолированных черных дыр в космосе безнадежно труден мы не сможем заметить маленькийтемный объект на фоне космической черноты.

Но есть надежда обнаружить черную дырупо ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влияниюна них. Сверхмассивные черные дыры могут находиться в центрах галактик, непрерывнопожирая там звезды. Сконцентрировавшись вокруг черной дыры, звезды должны образоватьцентральные пики яркости в ядрах галактик их поиски сейчас активно ведутся.Другойметод поиска состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центральногообъекта в галактике.

Если известно их расстояние от центрального объекта, то можновычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность,возможную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способомв 1996 Дж. Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно,находится черная дыра с массой 40 млн. солнечных.Наиболее перспективным является поиск черной дыры в двойных системах,где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс.По периодическому доплеровскому смещению линий в спектре звезды можно понять, чтоона обращается в паре с неким телом и даже оценить массу последнего.

Если эта массапревышает 3 массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то оченьвозможно, что это черная дыра. В компактной двойной системе черная дыра может захватывать газ с поверхностинормальной звезды.Двигаясь по орбите вокруг черной дыры, этот газ образует диски, приближаясь по спирали к черной дыре, сильно нагревается и становится источникоммощного рентгеновского излучения.

Быстрые флуктуации этого излучения должны указывать,что газ стремительно движется по орбите небольшого радиуса вокруг крохотного массивногообъекта.С 1970-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойныхсистемах с явными признаками присутствия черных дыр. Самой перспективной считаетсярентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оцениваетсяне менее чем в 6 масс Солнца.

Другие замечательные кандидаты в черные дыры находятсяв двойных рентгеновских системах Лебедь X-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZ Лисички,а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. За исключениемLMCX-3, расположенной в Большом Магеллановом Облаке, все они находятся в нашей Галактикена расстояниях порядка 8000 св. лет от Земли.