| << Нейтронные звёзды [пульсары, магнитары] | | Оглавление | | Микроквазары >> |
ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ
|
Под чёрными дырами понимаются столь массивные и компактные сгустки вещества, что для преодоления их притяжения скорости света уже не хватает. т.к. ничто в Наблюдаемой Вселенной не может двигаться быстрее света, это означает, что ничто, даже свет, не может покинуть чёрную дыру. Поэтому "дыры" не могут светить ни своим, ни отражённым светом. Эти объекты сперва были предсказаны: в 1783 г. Джоном Мичелом из Кембриджа [Хокинг, 2000], в 1789 г. П.С.Лапласом, в 1939 г. Р.Оппенгеймером и Х.Снайдером [Куликовский, 2002]. Значительно позднее они были найдены на небе. Термин ввёл Джон Уилер в 1969 г. [Хокинг, 2000]. Перед тем, как рассмотреть наблюдательные доказательства существования чёрных дыр, познакомимся с соответствующими теоретическими представлениями, воспользовавшись научно- популярной статьёй американского физика Кипа Стивена Торна "Путешествие среди чёрных дыр" [1988]. Так как Наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из водорода, то, как правило, атомы именно этого вещества образуют потоки, исчезающие в чёрных дырах. Устремляясь в дыру, атомы сталкиваются и нагреваются от этих столкновений. Чем ближе к дыре, тем более жёстким оказывается их электромагнитное излучение. Будучи нагреты до нескольких миллионов градусов, атомы испускают рентгеновские лучи, а в самые последние моменты - гамма-лучи. Это те признаки "дыр", по которым их можно обнаружить.
Чёрные дыры, если рассматривать их снаружи, - очень простые объекты. У них имеются лишь два параметра - масса и момент количества движения, характеризующий скорость вращения вокруг оси. Вращаясь, дыра создаёт в пространстве вихрь, закручивающий вещество, падающее внутрь. Если атомы водорода падают в дыру в среднем отвесно, то дыра, вероятнее всего, не вращается. [Кроме того, такая дыра будет внешне шарообразной, а вращающаяся - чуть сплюснутой]. Ещё для дыры можно указать условную среднюю плотность вещества. Впрочем, иногда утверждают, что на самом деле в "дыре" пустота, т.к. данное вещество по сути исчезло из Наблюдаемой Вселенной.
Мы не видим ничего из того, что происходит в дыре, т.е. дыра видна в виде чёрного диска. Диск тем больше, чем больше масса чёрной дыры. Дыра, превышающая Солнце по массе в 10 раз, будет иметь в окружности всего 185 км (периметр некоторых особенно крупных городов). Дыра массой в 100 тысяч солнечных - 1.850.000 км (чуть меньше лунной орбиты). Границу диска называют горизонтом событий. Мы можем оценить периметр чёрной дыры, но по нему нельзя определить диаметр этого объекта, т.к. пространство в дыре искривлено. Понятие "диаметр" в данном случае вообще не имеет смысла, т.к. его нельзя измерить сравнением.
Если к дыре послать автоматическую станцию с зелёным лазерным лучом, то по мере приближения к ней луч начнёт краснеть. Это будет происходить по двум причинам: 1) фотоны преодолевают гравитационное поле и теряют энергию; 2) фотоны испускаются удаляющимся объектом, а потому наблюдается доплеровское покраснение света. Инфракрасное излучение перейдёт в микроволновое, радиоволновое и бесконечно длинноволновое, которое уже не сможет регистрироваться, т.к. последние сигналы будут бесконечно долго "выбираться" из дыры.
Если по спирали приблизиться к чёрной дыре в космическом корабле, то обнаружатся мощнейшие приливные силы. Они будут тянуть ноги вниз, а голову вверх. В какой-то момент приливные силы смогут разорвать человека. В самой дыре эти силы становятся бесконечно большими, и это явление называется сингулярностью [Торн, 1988]. [В такой ситуации не смогут существовать ни молекулы, ни атомы, ни более мелкие "конструкции" из так называемых элементарных частиц, а то и сами "элементарные частицы" - Ю.Н.]. Можно также сказать, что сингулярность характеризуется нулевым объёмом, или бесконечной кривизной пространства-времени. Сингулярность в 1965 г. предсказана англичанином Пенроузом, исходя из общей теории относительности Эйнштейна [Хокинг, 2000]. Хаотическое "поведение" сингулярности было обосновано "русской тройкой" - Лившицем, Халатниковым и Белинским. Лейман доказала, что сингулярность должна быть навечно скрыта за горизонтом событий [Торн, 1988].
Величина приливных сил вблизи горизонта событий, согласно законам Эйнштейна, должна быть обратно пропорциональна квадрату массы чёрной дыры. Это означает, что чем тяжелее дыра, тем меньше приливные силы на её горизонте [чем тяжелее дыра, тем дальше горизонт событий от её центра]. К горизонту событий "небольшой" чёрной дыры (совсем небольшой или превышающей Солнце по массе примерно в 100 тысяч раз) нельзя подлететь на космическом корабле, двигаясь по спирали, т.к. задолго до подлёта потребуется световая скорость движения по орбите, чтоб не упасть в дыру. Или же центростремительную силу придётся компенсировать силой тяги двигателя. [Данное положение относится к обычным чёрным дырам звёздного происхождения и небольшим галактическим дырам - Ю.Н.]. "Маленькая" чёрная дыра будет сначала разрывать звёзды, а потом уже поглощать их газ.
Если дыра уж очень массивна, т.е. превышает Солнце по массе, к примеру, в восемь триллионов раз, то вблизи неё будут наблюдаться удивительные явления. Диск чёрной дыры не будет закрывать звёзд, находящихся за ним, а будет собирать их свет в яркое кольцо на окружности тёмного диска. Это будет происходить из-за отклонения света в мощном поле тяготения [гравитационная линза]. Будет видно несколько изображений каждой звезды: лучи отклонённые вправо и влево, совершившие вокруг дыры один оборот, два, три... Если приблизиться к горизонту событий такой гигантской дыры, то из-за искривления лучей чёрная дыра закроет не половину неба, а почти всё небо. Останется лишь маленькое отверстие, через которое вся внешняя Вселенная будет видна, как из пещеры. Если вдали от дыры приближение к ней на 1 км уменьшало длину орбиты на 6,2832 км (два числа "пи"), то ближе к дыре это уменьшение будет всё меньше и меньше из-за искривления пространства (пространство вблизи дыры растянуто по направлению к дыре). Подобная дыра будет "глотать" звёзды целиком, а разрывать их уже за горизонтом событий. [Такие гигантские чёрные дыры недавно открыты. Они располагаются в центрах некоторых галактик - см. конспект о галактиках].
Чёрные дыры могут сближаться и сливаться, и тогда вблизи них будут ощущаться гравитационные волны - пульсации кривизны пространства-времени (космический корабль будет трясти, сжимать, растягивать). В результате таких слияний должны возникать дыры с особенно быстрым вращением. Их сплюснутость может быть заметной на глаз. Суммарная масса новой дыры должна быть чуть меньше суммы исходных, т.к. часть массы уносится гравитационными волнами.
Энергией вращения чёрных дыр в принципе можно воспользоваться: если построить кольцо вокруг экватора и внедриться под горизонт событий магнитным полем, то от экватора потечёт электрический ток в кольцо, а от кольца - к полюсам... [Торн, 1988].
Статью К.С.Торна можно дополнить некоторыми интересными сведениями из книги Стивена Хокинга "Краткая история времени от Большого взрыва до чёрных дыр" [2000]. На горизонте событий лучи света не приближаются друг к другу и не пересекаются. Площадь чёрной дыры никогда не уменьшается (в противном случае лучи бы пересекались). При слиянии чёрных дыр площадь горизонта событий будет не меньше суммы площадей исходных чёрных дыр. Таким образом, площадь чёрной дыры ведёт себя сходно с энтропией (мерой беспорядка), которая тоже никогда не уменьшается (например, при соединении двух контор в одну беспорядок увеличивается). Поэтому предложено считать эту площадь мерой энтропии чёрной дыры. Если не считать площадь горизонта событий мерой энтропии, нарушается второй закон термодинамики. Получится, что можно бросить коробок с газом в чёрную дыру, и упорядоченность вне дыры увеличится, а скомпенсирована будет неизвестно чем, т.к. внутрь дыры не заглянешь. Значит, должен быть видимый показатель меры энтропии, а им может быть только площадь горизонта событий, которая чуть-чуть увеличилась от брошенного в дыру коробка.
С.Хокинг рассматривает также интересную теоретическую возможность испарения и взрыва чёрных дыр. Он утверждает, что в силу квантово-механического принципа неопределённости чёрные дыры должны рождать и излучать частицы, но не из самих дыр, а из "пустого" пространства перед ними. В результате квантовых флуктуаций гравитационного и электромагнитного полей там должны рождаться пары частица- античастица с положительной и отрицательной энергией. Частицы с отрицательной энергией могут быть только виртуальными и короткоживущими. Гравитационное поле вблизи чёрной дыры столь велико, что даже реальная частица может иметь там отрицательную энергию. Виртуальная частица может упасть в чёрную дыру и там превратиться в реальную частицу или античастицу. Покинутый партнёр может либо тоже упасть, либо уйти от горизонта событий в виде частицы или античастицы с положительной энергией. Получается, что в дыру направлен поток отрицательной энергии, но энергия равна произведению массы на квадрат скорости света, т.е. поток отрицательной энергии, входящий в дыру, уменьшает её массу и уменьшает горизонт событий! Второй закон термодинамики при этом не нарушается, т.к. уменьшение энтропии компенсируется энтропией испущенного излучения. Для нас в данном случае важен теоретический вывод: масса чёрной дыры в принципе может уменьшаться, т.е. чёрная дыра может испаряться. В настоящее время подобное испарение не происходит, т.к. это - медленный процесс, и он многократно компенсируется падением новых порций вещества из "нашего" мира. Кроме того, Вселенная должна чуть-чуть подостыть - см. ниже. [Чтоб остановить рост чёрных дыр и дождаться их испарения, нужна целенаправленная деятельность разумных существ Вселенной, которые каким-то образом удалят из окрестностей дыр всё, что может в них свалится, в т.ч. реликтовое излучение (Ю.Н.)].
Но опять передадим слово Хокингу... Он утверждает, что чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура. Это вполне понятное утверждение: о температуре дыры можно судить только по температуре исходящего потока частиц, которые рождаются близ горизонта событий, а этот поток тем горячее, чем меньше дыра его затормозила, т.е. чем она "легче". Но тогда получается, что по мере испарения чёрной дыры, она всё сильнее и сильнее разогревается. А по мере разогревания возрастает не только температура излучения, но и его интенсивность. Значит, потеря массы дыры может происходить со всё возрастающей скоростью. Ну а что произойдёт, когда масса дыры станет сравнительно маленькой? Достоверно мы это не знаем, т.к. не знаем, что происходит внутри дыры. Но можно предположить, что дыра полностью исчезнет в гигантской вспышке излучения. [Может быть, такую же природу имел Большой взрыв, породивший Наблюдаемую Вселенную].
В настоящее время температура чёрных дыр с массой в несколько "солнц", т.е. температура минимальных по массе дыр, составляет не более 1/10000000 градуса выше абсолютного нуля. А большие дыры ещё холоднее. Что же касается микроволнового реликтового излучения, которое заполняет Наблюдаемую Вселенную, то его температура значительно выше - 2,7 градусов выше абсолютного нуля. В такой ситуации чёрные дыры не могут излучать больше энергии, чем поглощать. Значит, в настоящее время испарение и взрыв чёрных дыр не могут происходить. Дыры будут расти ещё очень долгое время.
Но если Наблюдаемая Вселенная будет и дальше расширяться, температура микроволнового излучения, обусловленного Большим взрывом, в конце концов упадёт ниже температуры чёрных дыр. Тогда дыры начнут терять массу. Хокинг указывает, что дыры такого минимального размера испарятся за 10 в 66-й степени лет, т.е. за время, которое несоизмеримо больше времени существования Наблюдаемой Вселенной. [Получается, что во Вселенной протекают циклические процессы, и мы живём в одно из первых мгновений такого грандиозного цикла, т.е. чёрные дыры и реликтовое излучение "говорят" нам об исключительной молодости Наблюдаемой Вселенной - Ю.Н.].
В настоящее время в Нашей Галактике известно довольно много объектов, которые с большой долей вероятности можно отнести к категории чёрных дыр. Хотя сами "дыры" не видны, мы можем судить об их наличии по косвенным признакам: по специфическому излучению падающих в "дыру" и сталкивающихся частиц вещества; по быстрому вращению звёзд и газа вблизи "дыры", по аккреционному диску из разорванных звёзд и т.д. [Сурдин, 2002а; др.]. Предложен, к примеру, и такой способ: вычислено, что при приближении двойной звезды к массивной "чёрной дыре" одна из звёзд должна поглощаться "дырой", другая - выбрасываться со скоростью около 4000 км/с, а, значит, нужен поиск сверхбыстрых звёзд и определение точек, откуда они вылетели [Рис, 1991].
Согласно заметке "Чёрная дыра в Галактике?" [1992], в Нашей звёздной системе к началу 1990-х годов были известны три кандидата в "чёрные дыры" (помимо хорошо изученной гигантской "дыры" в центре Галактики). Позднее был открыт ещё ряд подобных объектов [Сурдин, 2002а]. Как правило, это системы из двух звёзд, из которых одна быстро вращается вокруг невидимой соседки.
Система Лебедь X-1 - это наиболее вероятный претендент в системы, членом которых является сравнительно небольшая чёрная дыра, т.е. чёрная дыра звездоподобной массы. В телескоп видна звезда, вращающаяся вокруг своего невидимого партнёра массой примерно в 6 солнечных, т.е. невидимый партнёр - это не белый карлик, не нейтронная звезда, а, вероятнее всего, именно чёрная дыра. Кроме того, эта система - мощный источник рентгеновского излучения. Можно предположить, что с поверхности видимой звезды "сдувается" вещество и по спирали (как вытекающая из ванны вода) падает в чёрную дыру. По пути разогревшаяся струя испускает рентгеновские лучи [Чёрная дыра в Галактике? 1992].
Известно ещё несколько таких систем в Нашей Галактике и Магеллановых Облаках [Хокинг, 2000]. В космический телескоп им. Хаббла удалось увидеть, как два газовых сгустка исчезли в дыре: зафиксированы регулярные затухающие последовательности из 6-7 импульсов ультрафиолетового излучения общей продолжительностью около 0,2 секунды [Вибе, 2001а].
Кроме того, изучались 12 систем, в которых новая звезда вращается вокруг более массивного спутника. 6 из них - с нейтронными звёздами, а 6 - с объектами массивней нейтронных звёзд. Системы с нейтронными звёздами ярко светились в рентгеновском диапазоне из-за падения вещества новой звезды на главную звезду, а светимость систем с предполагаемыми чёрными дырами оказалась в 100 раз меньше, т.е. падающее вещество проваливалось под ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ, унося с собой всю свою энергию [Вибе, 2001а].
Другие первоначальные кандидаты в "дыры" - А620-00 в Единороге и V404 в Лебеде. Последняя "дыра" находится в 5 тысячах световых лет от нас, где, если верить заметке 1992 г., в 1989 г. вспыхнула сверхновая [очень странная информация, т.к. сверхновые в Нашей Галактике вроде бы не вспыхивали после 1604 г., но, конечно, такое событие могло произойти за густыми облаками газа и пыли - Ю.Н.]. Там вокруг чёрной дыры массой 15,6 солнечных со скоростью 210 км/с "бегает" звезда массой 6,3 солнечных и делает оборот за 6,47 секунд [Чёрная дыра в Галактике? 1992]. По более поздним данным масса этой "дыры" составляет 8-12 солнечных [Сурдин, 2002а].
Кроме того, как уже упоминалось, в центрах галактик бывают гигантские чёрные дыры массой во многие тысячи или миллионы солнечных. Такая дыра есть в центре Нашей Галактики [Сурдин, 2001г] и в центре Галактики Андромеды [Рис, 1991]. К объектам подобного рода принадлежат и квазары с чёрными дырами, поглощающими огромное количество газа [Рис, 1991]. В недавнее время открыты также чёрные дыры в центре шаровых скоплений. Они промежуточны по массе между звёздными и галактическими "дырами" [Вибе, 2003д]. Все подобные объекты целесообразней рассматривать в рамках галактической астрономии. Тем не менее, можно предположить, что гигантские чёрные дыры (вторичные чёрные дыры) возникают в результате постепенного роста первичных чёрных дыр звёздного происхождения или в результате многих слияний таких чёрных дыр [Ю.Н.].
| << Нейтронные звёзды [пульсары, магнитары] | | Оглавление | | Микроквазары >> |
|
Публикации с ключевыми словами:
звезды - звездообразование
Публикации со словами: звезды - звездообразование | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
