Путешествие по Космосу
Чёрные дыры
Историю черных дыр надо рассказывать с 1795 года, когда Пьер Симон Лаплас сделал предсказание: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».
В 1916 году, практически сразу после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна для «точечного» сферически симметричного тела. Из решения следует, что сила притяжения возрастает до бесконечности при радиусе, стремящемся к радиусу Шварцшильда Rg, называемом также гравитационным радиусом. Для Солнца гравитационный радиус Rg = 3 км, а соответствующая плотность ? ? 2•1016 г/см3 (это превышает плотность атомного ядра ? ? 2•1014 г/см3).
В 1939 году Оппенгеймер и Снайдер рассчитали коллапс облака пыли до его превращения в черную дыру.
Само название «черная дыра» появилось в 1968 году. Его в популярной статье ввел Уиллер, и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины «коллапсар» или «застывшая звезда».
Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее.
Из области пространства-времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У черной дыры нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий. Размеры горизонта событий для невращающейся незаряженной черной дыры определяются формулой для гравитационного радиуса.
Мы не имеем никаких наблюдательных данных о внутренней структуре черных дыр, так как никакое сообщение изнутри поступить к нам не может. Мы не знаем, что произойдет с телом, после того как оно пересечет горизонт событий, кроме того, что тело будет продолжать падать и падать. Как и всякое массивное тело, черная дыра отклоняет световые лучи, проходящие вблизи нее. Но, обладая очень сильным гравитационным полем, черная дыра и лучи отклоняет чрезвычайно сильно. Поэтому, если близко от нас на луче зрения оказалась бы черная дыра, то вся открывающаяся перед нами картина исказилась бы. Все «стандартные» уравнения современной физики, перестают действовать вблизи центра черной дыры, под горизонтом событий.
С другой стороны, черные дыры являются чрезвычайно простыми. Черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой M (шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса J (керровская черная дыра) электрическим зарядом Q (черная дыра Керра – Ньюмана).
Знание этих характеристик дает нам полную информацию о черной дыре.
Эволюция звезды на поздних стадиях зависит от ее массы. Если она не превышает 1,2–1,4 М(чандрасекxаровский предел), то звезда становится белым карликом. Сильное тяготение белого карлика уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Предполагают, что в нашей Галактике около миллиарда белых карликов.
Если масса звезды не превосходит 2–3 М (предел Оппенгеймера – Волкова), то звезда становится нейтронной. Мощное тяготение нейтронной звезды сдерживается давлением вырожденного нейтронного газа. Предполагают, что количество нейтронных звезд в нашей Галактике около ста миллионнов.
Если масса звезды больше 3 М, то звезда становится черной дырой. Гравитационное поле столь массивной звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного радиуса. Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике около десяти миллионов.
Несмотря на огромное количество черных дыр, обнаружить одиночную черную дыру практически невозможно. Поэтому одним из лучших мест для поиска черных дыр являются двойные звезды. В 1964 году Яков Зельдович и Э. Солпитер предсказали мощное рентгеновское энерговыделение от аккрецирующих черных дыр в тесной двойной системе. Такие наблюдательные данные в настоящее время получены.
Другим местом, в котором астрофизики вплотную приблизились к открытию черных дыр, являются центры галактик. Массы центральных объектов, вычисленные по движению звезд вокруг них, превышают 106–109 М. Вот наиболее вероятные примеры галактик с черными дырами в ядре: M87, NGC 3115, NGC 4486, NGC 4594 («Сомбреро»), NGC 3377, NGC 3379, NGC 4258, M31 (Туманность Андромеды), M32.
Большинство астрофизиков сейчас считают, что черные дыры уже реально открыты. Нобелевская премия за открытие черных дыр все еще не вручена.
Что произойдет с объектом достигшим радиуса действия черной дыры? Рассмотрим падение тела на черную дыру. Представьте, что звезда начала катастрофически сжиматься. Произошел, как говорят астрофизики, гравитационный коллапс, и тело (допустим Вы) начало падать к центру звезды вместе с ее веществом. Все кругом падает вместе с телом (Вами). Вам просто не за что зацепиться взглядом, падает ведь все вещество звезды! И получается, что Вы совершенно неподвижны относительно тех частиц вещества, которые летят поблизости от Вас, и с которыми Вы можете сравнивать показания своих часов и длины своих линеек. Вы неподвижны друг относительно друга даже в момент пересечения сферы Швацшильда. Для Вас при пересечении этой страшной поверхности ничего не произойдет! Вы будете ускорять свое падение и за доли секунды (по Вашим часам) окажетесь в центре звезды вместе со всем ее веществом, которое свалится Вам на голову (хотя о какой голове может быть речь, если плотность в центре звезды становится бесконечно большой).
Теперь посмотрим на Ваше падение со стороны. Сторонний наблюдатель видит, как звезда вдруг начинает уменьшаться в размерах. За полчаса она сжимается (падает) от размеров Солнца до радиуса нейтронной звезды. Сжатие продолжается, и тут начинаются странности. Вместо того, чтобы ускоряться (сила тяжести-то растет), падение замедляется! Да, с приближением к сфере Швацшильда сила тяжести устремляется к бесконечности. Но ведь и время начинает течь бесконечно медленно! Если падающая частица сигнализирует о своем движении, ежесекундно испуская по фотону (по часам частицы), то сторонний наблюдатель улавливает эти фотоны 1 раз в сек, затем 1 раз в 2 сек и т.д.. При этом энергия фотонов, преодолевших поле тяготения, становится все меньше и меньше, пойманные фотоны оказываются все "краснее". Те фотоны, которые частица излучит вблизи самой сферы Шварцшильда, дойдут до стороннего наблюдателя с интервалом в тысячи и миллионы лет. А последний фотон будет иметь бесконечно малую энергию и дойдет до стороннего наблюдателя за бесконечно большое время. Другими словами этот фотон никогда не буден замечен сторонним наблюдателем. Получается, что для наблюдателя извне звезда как бы застыла. Все процессы становятся медленнее, пока не застывают окончательно. Сторонний наблюдатель увидит, что звезда как бы застыла. Впрочем, вряд ли можно будет что-либо наблюдать на месте звезды со стороны, т.к. красное смещение станет настолько большим, что видимые волны сместятся в радиодиапазон. Сторонний наблюдатель увидит, что звезда погасла.
В сущности, черные дыры, как принято их называть, это сколлапсировавшиеся звезды, вернее растянутый до бесконечности процесс сжатия звезды.
Черная дыра в центре Млечного Пути
Впервые астрономы могут видеть, как звезды вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. В статье, опубликованной 21 сентября 2000 года в журнале Nature, группа астрономов сообщает о том, что они обнаружили, что наблюдаемые в течение пяти лет три звезды вблизи центра нашей галактики ускоряют свое вращение вокруг черной дыры на более чем 250 миль в час за год.
"Мы видим, что орбиты звезд начинают изгибаться," - говорит руководитель группы астрономов, проводивших наблюдения, Andrea Ghez, профессор физики и астрономии из UCLA. "Орбита одной из этих звезд приведет ее на черную дыру в ближайшие 15 лет. Мы говорим о 15 годах, хотя свету требуется целых 24 тысячи световых лет, чтобы добраться до нас!".
Другие две ближайшие к черной дыре звезды находятся от нее на расстоянии всего 10 световых дней, но Ghez предсказывает, что они будут облетать по орбите огромную черную дыру и не упадут на нее. В 1995 году эти три звезды перемещались со скоростью два миллиона миль в час, а к 1999 году их скорости увеличились более чем на миллион миль в час.
В 1998 году Ghez сообщила, что в центре нашей галактики, на расстоянии 24 тысячи световых лет, находится черная дыра с массой, в 2.6 млн раз превышающей массу Солнца. Это открытие положило конец спорам среди астрономов, продолжавшимся больше четверти века. Сейчас Ghez может точно указать местонахождение этой черной дыры. Черные дыры - это сколлапсировавшие звезды, настолько плотные, что ничто не может преодолеть их гравитационного притяжения, даже свет.
В своих наблюдениях группа астрономов под руководством Ghez использует 10-метровый телескоп Keck I Telescope на Гавайях - самый большой в мире оптический и инфракрасный телескоп. Они исследуют движение 200 звезд, расположенных близко к галактическому центру. Пока выявлено ускоренное движение только трех из них.
