Черные дыры

Еще в 1795 году великий французский математик Пьер Симон Лаплас пришел к выводу, что свет не может покинуть тело, если последнее достаточно массивное или очень сильно сжатый. К середине 60-х годов XX века астрофизикам удалось выяснить структуру звезд и ход их эволюции. Выяснилось, что черные дыры - это один из трех возможных вариантов конечной стадии эволюции звезд. Это то, что остается после катастрофического гравитационного коллапса массивной звезды, когда она умирает. В случае коллапса напряженность силы притяжения над ее поверхностью становится настолько большой, что пространство-время вокруг звезды сворачивается, и звезда исчезает из Вселенной, оставляя после себя только чрезвычайно искривленный ячейка пространства-времени.

На значительном расстоянии от черной дыры пространство-время почти плоский и световые лучи распространяются прямолинейно. Утверждение, что черные дыры являются угрозой для нас, совсем не обоснованы. Черные дыры не могут перемещаться во Вселенной и то там, то деинше поглощать планеты, звезды и галактики. Всего за несколько тысяч километров от черных дыр, которые имеют массу, равную примерно 10-20 солнечных масс, пространство-время практически плоский и релятивистские эффекты незначительны.

Чем ближе к черной дыре проходят лучи света, тем на больший угол они отклоняются. Можно даже направить луч света в направлении черной дыры таким образом, что это свет попадет на круговую орбиту вокруг дыры и поглощен. Эта область называется фотонной сферой, или фотонной окружностью. Наконец, те лучи света, которые нацелены прямо в черную дыру, "всасываются" в нее. Эти лучи навсегда оставляют внешний мир. Такое поведение свойственно простейшем из возможных типов черных дыр. В 1916 году немецкий астроном Шварцшильд предложил точное решение уравнений гравитационного поля Эйнштейна. Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру, которая имеет только массу. Умирающая звезда, порождением которой является черная дыра, не вращается и не должна иметь ни электрического заряда, ни магнитного поля.

Понять природу шварцшильдивськои черной дыры можно, рассмотрев умирающую массивную звезду (но такую, которая не вращается и не имеет заряда) в процессе гравитационного коллапса. Представим, что кто-то стоит на поверхности такой умирающей звезды, у которой только иссякло ядерное топливо. Непосредственно перед началом коллапса наш наблюдатель берет мощный прожектор и направляет его лучи в разные стороны. Так как вещество звезды до сих пор была распределена в достаточно большом объеме, гравитационное поле у поверхности звезды остается довольно слабым. Поэтому луч прожектора распространяется прямолинейно или почти прямолинейно. Однако после того, как начался процесс коллапса, вещество звезды сжимается внутри все менее и менее объема. С уменьшением размеров звезды тяжести на ее поверхности возрастает все больше и больше. Увеличение кривизны пространства-времени приводит к отклонению светового луча от предыдущего прямолинейного распространения. Сначала лучи, излучаемые прожектор под малым углом к горизонту, отклоняются вниз к поверхности. Но позже, в связи с развитием коллапса, нашему исследователю приходится направлять лучи все ближе к вертикали, чтобы они могли навсегда уйти от звезды. В конце концов, на определенной критической стадии коллапса исследователь обнаружит, что уже ни один луч не может оставить звезду. Как бы наш у исследователя направлял свой прожектор, его луч все равно изменяет свое направление так, что снова попадает вниз, на звезду. Тогда говорят, что звезда прошла свой горизонт событий. Ничто из того, что оказалось за горизонтом событий. не может попасть наружу, даже свет. Наш исследователь буквально исчезает из внешней Вселенной.

Термин "горизонт событий" - очень удачное название для той поверхности в пространстве-времени, из которой ничто не может освободиться. Это действительно "горизонт", по которому все события исчезают для нас. Иногда горизонт событий, который окружает черную дыру, называют ее поверхностью.

Зная решение Шварцшильда, можно рассчитать положение горизонта событий, окружающего черную дыру. Например, диаметр сферы горизонта событий черной дыры, которая имеет массу 10 солнечных масс, составляет около 60 км. Как только умирающая звезда сожмется до диаметра 60 км, пространство-время испытывает столь сильного искажения, вокруг звезды возникает горизонт событий. В результате звезда исчезает.

На момент, когда умирающая звезда уйдет за свой горизонт событий, ее размеры еще довольно велики, но никакие физические силы уже не могут остановить ее дальнейшее сжатие. И звезда в целом продолжает сжиматься, пока, наконец, не прекратит свое существование в точке, соответствующей центру черной дыры. В этой точке бесконечный давление, бесконечная плотность и бесконечная кривизна пространства-времени. Это "место" в пространстве-времени называется сингулярностью.

"Сворачивание" звезды происходит очень быстро - примерно за с. Всего мгновение - и бывшая яркая звезда становится совсем черной.

Одновременно с быстрым ослаблением яркости умирающей звезды "вступает в игру" и другой важный эффект. Дело в том, что притяжение вызывает замедление течения времени. Этот эффект называется гравитационным красным смещением, так как свет, который излучают атомы, погруженные в гравитационное поле, "смещается" в сторону более длинных волн. Поэтому для астронома, наблюдающего со стороны, звезда в состоянии коллапса становится одновременно и слабой, и такой, что все больше света излучает в диапазоне длинных ("красных") волн.

Замедление хода времени, которое почти невозможно заметить в слабом гравитационном поле Земли, становится в процессе образования черной дыры фактором фундаментальной важности. Ведь на самом горизонте событий время полностью останавливается. Объясняя этот факт, нужно быть очень осторожным. Проиллюстрируем ситуацию. Представим, что мы бросили камень в черную дыру. Допустим, мы выпустили этот камень из рук, находясь очень далеко от черной дыры, где пространство-время почти плоский. Наблюдая движение камня, мы увидим, что по мере приближения к черной дыры он падает все быстрее и быстрее. Если бы ньютоновская теория была правильной, то наш камень продолжал бы увеличивать скорость, и в момент врезки в сингулярность он двигался бы практически с бесконечной скоростью. Но в столь сильных гравитационных полях ньютоновская теория не может дать правильный ответ. Оказывается, что когда камень приближается к горизонту событий, начинается стремительное замедление времени. Мы, к своему удивлению, обнаружим, что камень начинает падать все медленнее и совсем останавливается на горизонте событий, так как на этом горизонте для внешнего наблюдателя перестает двигаться время.

Итак, мы никогда не увидим этого события - как камень пересекает горизонт событий. Однако тот, кто падает вместе с камнем, будет наблюдать совсем другую картину. Наблюдатель в состоянии свободного падения не сможет заметить замедление времени. Объяснить эту странную ситуацию можно следующим образом: все, что видит наблюдатель в состоянии свободного падения, замедляется в той же пропорции, включая даже его пульс и темп старения.

Часы наблюдателя, находящегося в состоянии свободного падения, отсчитывают время в своем обычном темпе. Поэтому наблюдатель очень быстро (за своими часами) проскакивает горизонт событий. Однако сразу после прохождения горизонта он обнаруживает, что не все в порядке. Подобно тому, как на горизонте событий остановилось время для внешнего наблюдателя, внутри горизонта время меняется ролями с пространством. У нас на Земле человек способен перемещаться в трех пространственных измерениях. Однако во временном измерении мы не в состоянии "ходить" туда и назад. Мы постоянно идем во времени только вперед от рождения до смерти - хотим мы этого или не хотим. '

Внутри же горизонта событий пространство и время меняются ролями. Неудачника-космонавта. попавшего под горизонт событий, начинает постоянно затягивать в пространство навстречу сингулярности.

Чтобы избежать путаницы, связанной с измерением времени, физики вводят два типа времени - координатная и собственный. Координатная время - время, которое измеряет наблюдатель, находящийся вдали от черной дыры. Собственное время - это то время, который определяет по своему часами наблюдатель, находясь в состоянии свободного падения. Времена эти отличаются.

Хотя в случае коллапса звезды и появления черной дыры и теряется огромное количество информации, все-таки кое-что остается и извне. Например, сильнее искривление пространства-времени вокруг черной дыры указывает на то, что здесь умерла звезда. С массой мертвой звезды связан диаметр фотонной сферы и горизонт событий.

В конце 1960-х годов астрофизики напряженно работали над проблемой: информация о которых свойства черных дыр сохраняется, а о каких - теряется в них? Результатом их усилий знаменитая теорема о том, что "в черной дыры нет волос". Удаленный наблюдатель может определить массу, заряд и момент количества движения черной дыры. Так вот, оказалось, что если задать массу, электрический заряд и момент количества движения, то о черной дыре уже будет известно все - у нее просто нет других свойств. Таким образом, черные дыры - это очень простые объекты, для их описания требуется гораздо меньше характеристик, чем, скажем, для описания звезд. Удивительно, но в черной дыры совсем нет волос!

Поскольку черные дыры можно полностью описать с помощью трех параметров, то должно существовать лишь несколько решений уравнений гравитационного поля Эйнштейна, причем каждое описывать свой "добропорядочный" тип черных дыр.

Простейший тип черной дыры - дыра, которая имеет только массу, - описывает решение Шварцшильда. Если дыра имеет массу И заряд - ее описывает решение Райснера-Нордстрема. Для дыры имеет массу и момент количества движения, развязок получил Керр в 1963 году. И в 1965 году было получено решение Керра-Ньюмена, который описывает заряженную дырку вращается.

Решения уравнений содержат неожиданности. Так, в полной противоположностью решения Шварцшильда часть пространства непосредственно у сингулярности Райснера-Нордстрема - это царство антигравитации. И это еще не все. Космонавт, опустился под внешний горизонт событий, уже никогда не сможет вернуться в нашу Вселенную, но может попасть во Вселенную будущего или в какой-нибудь другой вселенной.

К 1974 году физики считали, что черная дыра - это воплощение тьмы. Горизонт событий представляет собой непроницаемую преграду, которая не позволяет узнать, что происходит внутри черных дыр. Даже сингулярность пространства-времени скрыта от внешнего наблюдателя за горизонтом событий.

В 1974 году кембриджский ученый Стивен Хокинг нанес этим представлениям ощутимый удар, получив один замечательный результат. Хокинг пришел к выводу, что черная дыра излучает! Черной дыре любого типа - вращается она или не вращается - можно приписать "температуру", а если дырка окружена областью с более низкой температурой, то она будет излучать энергию - оказывается, существует процесс, что приводит к превращению массы черной дыры на излучение. Это открытие очень интригует - ведь если бы можно было использовать энергию черных дыр, то человечество забыло бы о своих энергетические проблемы.

Черные дыры сливаются. Ученые сделали открытие, суть которого заключается в том, что в одной галактике фактически могут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые, в конце концов, обязательно сольются в одну. Это событие, по мнению исследователей, будет сопровождаться такими выбросами энергии, что звезды будет вытеснен из центра галактики, где будет бушевать радиоактивное и гравитационное цунами.

Ученым давно известно, что в галактике NGC +6240 существуют две яркие пятна, называемые ядрами. Поскольку пыль закрывает от обзора центр галактики, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, надеясь выяснить, есть ли хоть один из этих ядер активной сверхмассивной черной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объекта являются активными черными дырами.

Эта галактика находится от нас на расстоянии около 400 световых лет - довольно близко по космическим масштабам - и образовалась она в результате столкновения двух галактик, которое началось почти ЗО миллионов лет назад. Астрономы считают, что слияние галактик, как правило, происходит очень мирно. Поскольку расстояния между звездами чрезвычайно велики, они почти не «чувствуют» происходящего. Пока центры галактик, столкнувшихся испытывают лишь легкой гравитационного взаимодействия. Но постепенно расстояние, равное в данный момент около 3 тысяч световых лет, будет уменьшаться. И тогда галактики непременно начнут взаимодействовать. Звезды, вращающиеся вокруг центров, ускорят свое движение и оставят центр галактики. Когда расстояние между черными дырами уменьшится до одного светового года, они начнут сливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дыр, разогреется до таких температур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов, поле радиоактивности уничтожит все объекты, которые находятся вокруг ядер, что позволит наблюдать за ядром. Ни одна звезда НЕ уцелеет в поле влияния более массивной черной дыры после того, как они сольются.

Ученые создали также компьютерную версию происходящего в настоящее время в галактике NGC362. К этому астрономам никогда не удавалось наблюдать двойные черные дыры. Это натолкнуло их на мысль, что такого явления, как двойная черная дыра, вообще не существует; что черные дыры всегда сливаются в одну. Недавно они получили доказательства в подтверждение этого предположения: джеты, которые излучают черные дыры в объекте, известном под номером NGC362, сместились. Это говорит о том, что черные дыры в галактиках сталкивающихся "почувствовали" существование друг друга.


Подпись:
Подпись:

Путешествующая пара: черная дыра и ее звезда (справа - их траектория через Млечный Путь)

Ученые установили, что наиболее вероятным источником возникновения черных дыр является взрывы сверхновых. Уже достаточно давно обнаружено, что в нашей Галактике существует путешествующая черная дыра, которая перемещается в сопровождении своей звезды-компаньона. Объект этот находится в 6000 световых лет от нас и движется в нашем направлении, но, скорее всего, нам не грозит. Украсьте было открыто именно благодаря звезды, которая дает ей "питание" и вращающейся вокруг нее со скоростью один оборот за 2,6 дня. "Сладкая парочка" движется по нашей Галактике в четыре раза быстрее, чем другие звезды, и пока это единственная черная дыра такого типа. Двойной объект движется со скоростью 111 километров в секунду относительно других видимых объектов.

Астрономы считают, что черные дыры второго типа (первого - это сверхмассивные, которые находятся в центрах галактик) - звездные черные дыры - возникают в момент взрыва сверхновой. Большая часть звезды избегает подобной участи, но если осталась достаточно большая масса материи (скажем, в 15 раз больше каше Солнце), то она испытывает коллапса и превращается в черную дыру. Энергия взрыва направила эту пару объектов в бесконечную путешествие по Галактике. Ученые считают, что этот взрыв произошел где-то в центральной части Галактики, хотя точно это установить невозможно.

Черная дыра может поглотить звезду. Подобное явление произошло в галактике RX J1242-1119А, в ее центре.

Иллюстрация - оптическое изображение данной галактики, где черная дыра - яркое пятно в центре кольца.

Сверхмассивная центральная черная дыра (подобные объекты наблюдаются во многих спиральных галактиках) разорвала приливными силами звезду, пролетала слишком близко возле нее. Некоторую часть вещества звезды после этого захватила черная дыра, повлекшее яркий рентгеновская вспышка. В рентгеновском диапазоне это явление наблюдали орбитальные обсерватории Chandra (изображение) и XMM / Newton (рентгеновские спектры), для сравнения использовались архивные данные рентгеновской обсерватории ROSAT. Оптические наблюдения проводились на телескопах обсерватории La Silva (ESO). Данное явление - разрыв и захват звезды массивной черной дырой - было предусмотрено более тридцати лет назад, но наблюдается оно впервые. Энерговыделения можно сравнить со взрывом сверхновой, но спектр и эволюция потока свидетельствуют, что это был приточный разрыв звезды, а не взрыв обычной сверхновой. По оценкам специалистов, черная дыра захватила только один процент массы звезды, вся остальная масса рассеялась в пространстве.

Специалисты ЕКА отмечают, что "отныне существуют неопровержимые доказательства феномена, который в течение длительного времени существовал только в теории».

Изображение - результат компьютерного моделирования процесса разрыва звезды.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >