Черные дыры во Вселенной
В научно-популярной литературе, статьях о Вселенной часто можно встретить термин «черная дыра». У читателя, впервые прочитавшего это словосочетание, сразу возникает образ, скажем, отверстия в стене, отгораживающей темную комнату, иначе, обыкновенная дырка. Упоминание о дырах во Вселенной, первоначально также ассоциируется с неким отверстием в небесах. Последнее суждение отчасти верно, но физическая сущность черной дыры гораздо сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Так что же такое черная дыра? В современной науке черной дырой принято называть область пространства-времени, в которой гравитационное поле (тяготение) столь сильно, что ни один объект (даже излучение) не может вырваться из нее. Название же «черная дыра» ввел в обиход в 1968 году американский физик Джон Уилер (John A. Wheeler) в своей статье об этих удивительных небесных объектах. Новый термин сразу стал популярен, заменив собой использовавшиеся до того названия «коллапсар» и «застывшая звезда». Значит, эти небесные объекты попросту подобие звезды (черные шары?), но с очень сильным полем тяготения? Но это будет слишком простым (и не совсем верным) описанием, пожалуй, самых таинственных объектов во Вселенной. Чтобы глубже понять, что же это такое, вернемся ненадолго во времена великого физика Исаака Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения. Легенда о яблоке, упавшем на голову Ньютона, может носить спорный характер, но, как бы там ни было, гениальная догадка ученого позволила вывести закон об универсальной силе, действию которой подвержено абсолютно все! Поле тяготения действует не только на объемные тела, которые притягиваются друг к другу, но на микрочастицы и даже на свет. Это очень важный момент, самым кардинальным образом связанный с изучением свойств черных дыр. Первым, кто допустил существование невидимых звезд, был ученый 18-19 веков Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827), знаменитый тем, что создал теорию образования планет Солнечной системы из разряженной материи (облака). О невидимых звездах Лаплас впервые написал в 1795 году. Руководствуясь законом всемирного тяготения, он пришел к выводу, что звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми.
Посмотрите также изображения черных дыр (период - февраль2004*февраль2005) с сервера наших коллег Вселенная сегодня
В наше время доказать это может любой школьник, знающий основы физики. Действительно, чем больше космическое тело, тем большую скорость нужно набрать, чтобы навсегда покинуть его. Эта скорость называется второй космической, и для Земли равна 11 км/сек. Но вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, т.к. с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. На Солнце 2-я космическая скорость равна 620 км/сек, но на его поверхности. Если же представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив при этом массу прежней, то 2-я космическая скорость увеличится до половины скорости света или 150 тысяч километров в секунду! Значит, если радиус Солнца уменьшать еще дальше (оставляя массу неизменной), то наступит такой момент, когда вторая космическая скорость достигнет световой или 300 000 км/сек! Лаплас, конечно, не брал в расчет сжатие небесных тел, что играет самую важную роль в образовании черных дыр, но он позволил понять главное: небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость превышает скорость света, становится невидимой для внешнего наблюдателя! Иначе, свет пытается вырваться в пространство, но гравитация не позволяет ему этого сделать, и со стороны мы можем видеть лишь черное пятно в космосе, проще говоря, некую дыру! Подобные выводы были сделаны современником Лапласа английским геологом Дж. Мичеллом в 1783 году, но его труды менее известны.
Итак, мы убедились, что могут существовать невидимые небесные тела, которые в реальности существуют, но не могут быть наблюдаемы с Земли в виду отсутствия излучения от них. Все это казалось убедительным до того, как научный мир не познакомился в начале 20 века с теорией еще одного великого физика – Альберта Эйнштейна. Но убедительность Лапласа и Митчела все же была шаткой по той простой причине, что в их времена еще не знали, что скорости выше скорости света в природе просто не существует. Общая теория относительности позволила сделать большой шаг к определению черной дыры в современном ее понимании. Чтобы понять суть различия между тяготением по Ньютону и тяготением по Эйнштейну, вернемся к опыту со сжатием Солнца. Закон Ньютона гласит, что при сжатии вдвое гравитация возрастает вчетверо, но Эйнштейну удалось блестяще доказать, что гравитация будет расти быстрее, и чем дальше мы сжимаем тело, тем быстрее будет расти гравитация. Если следовать ньютоновскому тяготению, то гравитация станет бесконечно большой, если радиус станет равным 0. Эйнштейн же нашел, что тяготение становится бесконечным при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Сфера описываемся таким радиусом, называется также сферой Шварцшильда. Иначе, тело не сожмется в точку, оно будет иметь определенные размеры, но гравитацию, стремящуюся к бесконечности. Гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10мм (при настоящем – 6400км), а для Солнца 3000м (700000 км). Итак, теория гласит о том, что любое небесное тело (звезда, планета) сжавшееся до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, т.к. свет или любое другое излучение не может покинуть данное тело по причине того, что 2-я космическая скорость от гравитационного радиуса и меньше будет выше скорости света. Остается один вопрос: что и каким образом может сжать звезду до гравитационного радиуса. Ответ: сама звезда! Пока звезда «живет» внутри ее происходят термоядерные реакции создающие потоки излучения к поверхности газового шара. Но вещество (водород) для реакций ограничено, и за время от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет иссякает.
После того, как водородное топливо будет израсходовано, внутреннее давление создаваемое ранее реакциями исчезнет, и звезда начнет сжиматься под действием собственной гравитации примерно так, как мы сжимает руками большой кусок ваты. Некоторые звезды сжимаются очень быстро – катастрофически. Происходит так называемый гравитационный коллапс. Разрешив вопрос о сжатии звезд, мы подошли к самому главному – вопросу существования черных дыр. Мы выяснили, что теоретически такие объекты могут существовать, но как найти их практически? Ведь, по словам знаменитого философа Конфуция, приходится искать черную кошку в темной комнате, и неизвестно есть ли она там вообще. Поиск таинственных объектов начинался с рентгеновских источников излучения, т.е. тех, которые излучают всем известные лучи Рентгена, широко использующиеся в медицине для съемки костей и внутренних органов человека. У рентгеновских источников есть замечательное свойство: они излучают только при нагревании окружающего газа до сверх высоких температур. Но чтобы нагреть газ до такой температуры, нужно чтобы поле тяготения было очень сильным. Такими полями обладают сжавшиеся звезды (белые карлики, нейтронные звезды и…. черные дыры!). Но если белые карлики можно наблюдать непосредственно, то как вычислить черную дыру? Астрономы разрешили и эту задачу. Выяснилось, что если сжавшаяся звезда имеет массу в два раза превышающую массу Солнца, то самый вероятный кандидат в черные дыры. Измерить же массу небесного тела легче всего если он существует в паре с другим, проще говоря, в двойной системе по его орбитальному движению. Поиск подобных двойных систем, которые к тому же излучают в рентгене увенчался успехом. Астрономы нашли такую систему в созвездии Лебедя, выяснив что, по крайней мере, один из компонентов обладает массой, превышающей критическую, т.е. более двух солнечных масс. Созвездие Лебедя лучше всего наблюдать летом и осенью, когда оно видно прямо над головой. Объект был назван Лебедь Х-1, и является первым объектом – кандидатом в черные дыры. Он расположен на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 солнц и невидимый объект массой 10 солнц, излучающий в рентгеновском диапазоне. Но позвольте, скажете вы, как же может излучать черная дыра, если мы только что говорили, что ничто не может покинуть ее! Да, это верно, но дело в том, что излучает не сама черная дыра, а лишь вещество, падающее на черную дыру. Именно по излучению падающего вещества мы можем оценивать присутствие черной дыры.
Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, как бы высасывает материю, которая по спирали устремляется к черной дыре. Чем ближе вытягиваемое вещество к черной дыре, тем сильнее оно разогревается и, наконец, начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные приемники излучения. При достижении окрестностей гравитационного радиуса (откуда еще может вырваться излучение) газ разогревается до 10 миллионов градусов, а рентгеновская светимость этого газа в тысячи раз превосходит светимость Солнца во всех диапазонах! Вспышки излучения видны не менее, чем в 200 километрах от центра черной дыры, а ее действительные размеры составляют около 30 километров. Итак, черные дыры существуют, и в действительности представляют из себя чрезвычайно сжатую область пространства-времени (для простоты – сверхплотный шар), которую не способно покинуть никакое излучение. Следует отметить, что благодаря необычности черных дыр средства массовой информации спекулируют на их свойстве поглощать окружающее вещество. Пройдя около Земли, черная дыра вполне может своим тяготением изменить форму Земли и начать затягивать ее вещество внутрь себя. Но подобное событие крайне маловероятно, тем более, как было сказано, ближайшие из них находятся на расстоянии в несколько тысяч световых лет. Поэтому даже если допустить, что черная дыра вдруг направится к Земле, то достичь она сможет ее только через несколько тысяч лет, и это при том, что двигаться она будет со скоростью света. При этом должно соблюдаться условие точной направленности к Земле, что на таком расстоянии теряет всякий смысл. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что гибель от черной дыры человечеству не грозит…. Ведя рассказ о черных дырах, мы всегда говорили о внешнем наблюдателе, т.е. пытались обнаружить черную дыру извне.
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.
ДОПОЛНЕНИЕ
Начат учет черных дыр
Небо в гамма-лучах (точками показаны источники гамма-излучения).
Изображение с сайта http://www.esa.int/
Самые большие из черных дыр - супермассивные, которые в миллионы и миллиарды раз превышают массу Солнца, а каждая из них находится в центре большинства галактик. Эти гравитационные монстры обладают огромным «аппетитом». Все больше увеличивая свою массу, они уже поглотили окружающее их вещество на «сумму» в миллионы Солнц, но еще не насытились, продолжая свое формирование дальше. В постоянное меню черной дыры входят: газ, пыль, планеты и звезды, но иногда приверженцы коллапса позволяют себе полакомиться и «деликатесами». На «десерт» черные дыры предпочитают компактные массивные объекты, например, черные дыры звездной массы, нейтронные звезды и белые карлики, ненароком попавшие в поле тяготения сверхмассивного объекта. Именно эти объекты издают самые «громкие крики» во Вселенную в рентгеновском и гамма диапазоне, когда черная дыра «лакомится» ими. Казалось бы, достаточно вывести на орбиту космический телескоп с детекторами гамма-лучей и начать успешные поиски гамма-всплесков от черных дыр, переписав таким образом все подобные объекты. Для этих целей в конце 2002 года на орбиту был выведен спутник «Интеграл» (Integral) космического агентства ESA, способный просматривать небо в гамма-диапазоне. Но и здесь Вселенная заставляет ученых пробираться сквозь тернии.
Поскольку все небо заполнено фоновым гамма-излучением, это мешает находить слабые гамма-всплески от очень далеких источников, занижая, таким образом, действительное количество черных дыр, что сказывается на правильности космологических теорий. Чтобы обойти это препятствие, международная группа, включающая российских ученых Евгения Чуразова и Рашида Сюняева из Института космических исследований, предложила откалибровать приборы «Интеграла» с учетом уровня фонового гамма-излучения. Для этого они решили направить приемники излучения «Интеграла» в сторону Земли, которая «своим телом» закрыла бы общий фон неба. Данное мероприятие было весьма рискованным по причине яркости Земли для устройств «Интрегала», работающих в оптическом диапазоне. Оптика космический обсерватории могла «ослепнуть», т.к. настроена на далекий космос, который на несколько порядков слабее, чем близкая планета. Но ученые провели эксперимент без «потерь», и риск был оправдан. Используя естественный щит от излучений, астрономы замерили уровень приходящего излучения и сравнили полученные записи наблюдений с более ранними. Это позволило найти «нулевую» точку излучений, от которой теперь будет вестись отсчет при анализе новых полученных данных. Таким образом, исключая общий гамма-фон, исследователи смогут более точно выявлять местонахождение черных дыр, уточняя их количество и распределение в пространстве. До запуска «Интеграла» в гамма-диапазоне удалось пронаблюдать всего несколько десятков объектов. К настоящему времени, при помощи этого космического телескопа удалось найти 300 отдельных источников в нашей Галактике и около 100 самых «ярких» черных дыр в других галактиках. Но это только вершина айсберга. Астрономы уверены, что существуют десятки миллионов черных дыр, излучение от которых сливается с фоновым. Все их должен будет обнаружить «Интерграл», что позволит навести идеальный порядок в космологических теориях.
Интересные факты из жизни черных дыр
Поглощение звезды черной дырой в представлении художника.
Изображение: NASA/JPL
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.
Мультимедийный видеоролик по теме . Черные дыры, джеты и квазары, movie file (mov, 8,3Mb, 71 сек) Черные дыры так плотны и тяжелы, что ничто - даже свет, не может уйти от нее. Эти объекты очень загадочны. Черные дыры могут поглощать окружающий газ и звезды. Они находятся в центрах галактик и квазаров и могут создавать мощные джеты высокой энергии из закрученных в спираль дисков, которые их окружают. Это видео показывает некоторые наблюдения черных дыр, джетов и квазаров. Схематическое изображение черной дыры (35,2Kb, фото)
Черные дыры — единственные космические тела, способные притягивать силой гравитации свет. Они же являются самыми большими объектами Вселенной. Мы вряд ли в ближайшее время узнаем, что происходит возле их горизонта событий (известного как «точка невозврата»). Это самые таинственные места нашего мира, о которых, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор известно очень мало. В этой статье собраны 10 фактов, которые можно назвать наиболее интригующими.
Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.
Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.
Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна, для того, чтобы обосновать существование «точки невозврата». Сам Эйнштейн не задумывался о черных дырах, хотя его теория позволяет предсказать их существование.
Шварцшильд сделал свое предположение в 1915 году, сразу вслед за тем, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Тогда же возник термин «радиус Шварцшильда» - это величина, которая показывает, как сильно вам придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.
Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Например, Земля стала бы черной дырой, если бы ее массой обладал объект величиной с арахис.
Мысль о том, что черные дыры могут порождать новые вселенные кажется абсурдной (тем более, что мы все еще не уверены в существовании других вселенных). Тем не менее, подобные теории активно разрабатываются учеными.
Очень упрощенная версия одной из этих теорий заключается в следующем. Наш мир обладает исключительно благоприятными условиями для появления в нем жизни. Если бы какие-либо из физических констант изменились хотя бы чуть-чуть, нас бы не было в этом мире. Сингулярность черных дыр отменяет обычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую вселенную, которая будет отличаться от нашей.
Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти (есть даже специальный термин - «спагеттификация»).
Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжении начинает работать против вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними. Результат: спагеттификация!
Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие).
Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.
По мере приближения к горизонту событий время замедляется. Чтобы понять, почему это происходит, нужно обратиться к «парадоксу близнецов», мысленному эксперименту, часто используемому для иллюстрации основных положений общей теории относительности Эйнштейна.
Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй улетает в космическое путешествие, двигаясь со скоростью света. Вернувшийся на Землю близнец обнаруживает, что его брат постарел больше, чем он, потому что при движении на скорости, близкой к скорости света, время идет медленнее.
Приближаясь к горизонту событий черной дыры, вы будете двигаться с такой высокой скоростью, что время для вас замедлится.
Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела.
Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!
Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).
Звезды возникают из газовых облаков. Для того, чтобы началось формирование звезды, облако должно остыть.
Излучение абсолютно черных тел мешает газовым облакам остывать и предотвращает появление звезд.
Единственное отличие нашего Солнца от черной дыры — сила гравитации. В центре черной дыры она намного сильнее, чем в центре звезды. Если бы наше Солнце было сжато до примерно пяти километров в диаметре, оно могло бы быть черной дырой.
Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же мы знаем, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.
Чёрная дыра возникает в результате коллапса сверхмассивной звезды, в ядре которой заканчивается «топливо» для ядерной реакции. По мере сжатия температура ядра повышается, а фотоны с энергией более 511 кэВ, сталкиваясь, образуют электрон-позитронные пары, что приводит к катастрофическому снижению давления и дальнейшему коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации.
Астрофизик Этан Сигел (Ethan Siegel) опубликовал статью «Крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной» , в которой собрал информацию о массе чёрных дыр в разных галактиках. Просто интересно: где же находится самая массивная из них?
Поскольку наиболее плотные скопления звёзд - в центре галактик, то сейчас практически у каждой галактики в центре находится массивная чёрная дыра, образованная после слияния множества других. Например, в центре Млечного пути есть чёрная дыра массой примерно 0,1% нашей галактики, то есть в 4 млн раз больше массы Солнца.
Определить наличие чёрной дыры очень легко, изучив траекторию движения звёзд, на которые воздействует гравитация невидимого тела.
Но Млечный путь - относительно маленькая галактика, которая никак не может иметь у себя самую большую чёрную дыру. Например, недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 - она примерно в 200 раз больше нашей.
Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (на фото). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.
Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.
Но где же во Вселенной самая большая чёрная дыра? Если исходить из расчёта, что в центре почти каждой галактики имеется такой объект с массой 0,1% от массы галактики, то нужно найти самую массивную галактику. Учёные могут дать ответ и на этот вопрос.
Самая массивная из известных нам - галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029, который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.
В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края - около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы!
Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной.
Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина - в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.
Есть и ещё один кандидат на роль самой большой чёрной дыры в известной Вселенной. Он изображён на следующей фотографии.
Странный объект OJ 287 называется блазар . Блазары - особый класс внегалактических объектов, разновидность квазаров. Они отличаются очень мощным излучением, которое в OJ 287 меняется с циклом 11-12 лет (с двойным пиком).
По мнению астрофизиков, OJ 287 включает в себя сверхмассивную центральную чёрную дыру, по орбите которой вращается ещё одна чёрная дыра меньшего размера. Центральная чёрная дыра в 18 млрд масс Солнца - самая большая из известных на сегодняшний день.
Эта парочка чёрных дыр станет одним из самых лучших экспериментов для проверки общей теории относительности, а именно - деформации пространства-времени, описанной в ОТО.
Из-за релятивистских эффектов перигелий чёрной дыры, то есть ближайшая к центровой чёрной дыре точка орбиты, должен смещаться на 39° за один оборот! Для сравнения, перигелий Меркурия сместился всего на 43 арксекунды за столетие.
«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 |
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.
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.
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.
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.
