Черная дыра


	Загрузить архив:
	Файл: chernaia.zip (9kb [zip], Скачиваний: 385) скачать

ЧЕРНАЯ ДЫРА, область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.

Черныедыры, предсказанныеобщейтеориейотносительности (теориейгравитации, предложеннойЭйнштейномв 1915) идругими, болеесовременнымитеориямитяготения, былиматематическиобоснованыР.ОппенгеймеромиХ.Снайдеромв 1939. Носвойствапространстваивременивокрестностиэтихобъектовоказалисьстольнеобычными, чтоастрономыифизикивтечение 25 летнеотносилиськнимсерьезно. Однакоастрономическиеоткрытиявсередине 1960-хгодовзаставиливзглянутьначерныедырыкакнавозможнуюфизическуюреальность. Ихоткрытиеиизучениеможетпринципиальноизменитьнашипредставленияопространствеивремени.

Образованиечерныхдыр. Покавнедрахзвездыпроисходяттермоядерныереакции, ониподдерживаютвысокуютемпературуидавление, препятствуясжатиюзвездыподдействиемсобственнойгравитации. Однакосовременемядерноетопливоистощается, извезданачинаетсжиматься. Расчетыпоказывают, чтоеслимассазвездынепревосходиттрехмассСолнца, тоонавыиграет «битвусгравитацией»: еегравитационныйколлапсбудетостановлендавлением «вырожденного» вещества, извезданавсегдапревратитсявбелыйкарликилинейтроннуюзвезду. Ноеслимассазвездыболеетрехсолнечных, тоуженичтонесможетостановитьеекатастрофическогоколлапсаионабыстроуйдетподгоризонтсобытий, ставчернойдырой. УсферическойчернойдырымассыMгоризонтсобытийобразуетсферусокружностьюпоэкваторув 2pразбольшей «гравитационногорадиуса» чернойдырыR_G = 2GM/c², гдеc –скоростьсвета, аG–постояннаятяготения. Чернаядырасмассой 3 солнечныхимеетгравитационныйрадиус 8,8 км.

Еслиастрономбудетнаблюдатьзвездувмоментеепревращениявчернуюдыру, тосначалаонувидит, какзвездавсебыстрееибыстреесжимается, нопомереприближенияееповерхностикгравитационномурадиусусжатиеначнетзамедляться, поканеостановитсясовсем. Приэтомприходящийотзвездысветбудетслабетьикраснеть, поканепотухнетсовсем. Этопроисходитпотому, чтовборьбесгигантскойсилойтяжестисветтеряетэнергиюиемутребуетсявсебольшевремени, чтобыдостичьнаблюдателя. Когдаповерхностьзвездыдостигнетгравитационногорадиуса, покинувшемуеесветупотребуетсябесконечноевремя, чтобыдостичьнаблюдателя (иприэтомфотоныполностьюпотеряютсвоюэнергию). Следовательно, астрономникогданедождетсяэтогомоментаитемболеенеувидиттого, чтопроисходитсозвездойподгоризонтомсобытий. Нотеоретическиэтотпроцессисследоватьможно.

Расчетидеализированногосферическогоколлапсапоказывает, чтозакороткоевремязвездасжимаетсявточку, гдедостигаютсябесконечнобольшиезначенияплотностиитяготения. Такуюточкуназывают «сингулярностью». Болеетого, общийматематическийанализпоказывает, чтоесливозникгоризонтсобытий, тодаженесферическийколлапсприводитксингулярности. Однаковсеэтовернолишьвтомслучае, еслиобщаятеорияотносительностиприменимавплотьдооченьмаленькихпространственныхмасштабов, вчеммыпоканеуверены. Вмикромиредействуютквантовыезаконы, аквантоваятеориягравитациипоканесоздана. Ясно, чтоквантовыеэффектынемогутостановитьсжатиезвездывчернуюдыру, авотпредотвратитьпоявлениесингулярностионимоглибы.

СовременнаятеориязвезднойэволюцииинашизнанияозвездномнаселенииГалактикиуказывают, чтосреди 100 млрд. еезвезддолжнобытьпорядка 100 млн. черныхдыр, образовавшихсяприколлапсесамыхмассивныхзвезд. Ктомужечерныедырыоченьбольшоймассымогутнаходитьсявядрахкрупныхгалактик, втомчислеинашей.

Какужеотмечалось, внашуэпохучернойдыройможетстатьлишьмасса, болеечемвтроепревышающаясолнечную. ОднакосразупослеБольшоговзрыва, скоторогоок. 15 млрд. летназадначалосьрасширениеВселенной, моглирождатьсячерныедырылюбоймассы. Самыемаленькиеизнихвсилуквантовыхэффектовдолжныбылииспариться, потерявсвоюмассуввидеизлученияипотоковчастиц. Но «первичныечерныедыры» смассойболее 10¹⁵гмоглисохранитьсядонашихдней.

Всерасчетыколлапсазвездделаютсявпредположениислабогоотклоненияотсферическойсимметрииипоказывают, чтогоризонтсобытийформируетсявсегда. Однакоприсильномотклоненииотсферическойсимметрииколлапсзвездыможетпривестикобразованиюобластисбесконечносильнойгравитацией, нонеокруженнойгоризонтомсобытий; ееназывают «голойсингулярностью». Этоуженечернаядыравтомсмысле, какмыобсуждаливыше. Физическиезаконывблизиголойсингулярностимогутиметьвесьманеожиданныйвид. Внастоящеевремяголаясингулярностьрассматриваетсякакмаловероятныйобъект, тогдакаквсуществованиечерныхдырверитбольшинствоастрофизиков.

Свойствачерныхдыр. Длястороннегонаблюдателяструктурачернойдырывыглядитчрезвычайнопростой. Впроцессеколлапсазвездывчернуюдырузамалуюдолюсекунды (почасамудаленногонаблюдателя) всееевнешниеособенности, связанныеснеоднородностьюисходнойзвезды, излучаютсяввидегравитационныхиэлектромагнитныхволн. Образовавшаясястационарнаячернаядыра «забывает» всюинформациюобисходнойзвезде, крометрехвеличин: полноймассы, моментаимпульса (связанногосвращением) иэлектрическогозаряда. Изучаячернуюдыру, уженевозможноузнать, состоялалиисходнаязвездаизвеществаилиантивещества, имелалионаформусигарыилиблинаит.п. Вреальныхастрофизическихусловияхзаряженнаячернаядырабудетпритягиватьксебеизмежзвезднойсредычастицыпротивоположногознака, иеезарядбыстростанетнулевым. Оставшийсястационарныйобъектлибобудетневращающейся «шварцшильдовойчернойдырой», котораяхарактеризуетсятолькомассой, либовращающейся «керровскойчернойдырой», котораяхарактеризуетсямассойимоментомимпульса. ЕдинственностьуказанныхвышетиповстационарныхчерныхдырбыладоказанаврамкахобщейтеорииотносительностиВ.Израэлем, Б.Картером, С.ХокингомиД.Робинсоном.

Согласнообщейтеорииотносительности, пространствоивремяискривляютсягравитационнымполеммассивныхтел, причемнаибольшееискривлениепроисходитвблизичерныхдыр. Когдафизикиговорятобинтервалахвремениипространства, ониимеютввидучисла, считанныескаких-либофизическихчасовилинеек. Например, рольчасовможетигратьмолекуласопределеннойчастотойколебаний, количествокоторыхмеждудвумясобытиямиможноназвать «интерваломвремени». Замечательно, чтогравитациядействуетнавсефизическиесистемыодинаково: всечасыпоказывают, чтовремязамедляется, авселинейки–чтопространстворастягиваетсявблизичернойдыры. Этоозначает, чточернаядыраискривляетвокругсебягеометриюпространстваивремени. Вдалиотчернойдырыэтоискривлениемало, авблизитаквелико, чтолучисветамогутдвигатьсявокругнеепоокружности. ВдалиотчернойдырыееполетяготениявточностиописываетсятеориейНьютонадлятелатакойжемассы, новблизигравитациястановитсязначительносильнее, чемпредсказываетньютоноватеория. Любоетело, падающееначернуюдыру, задолгодопересечениягоризонтасобытийбудетразорваноначастимощнымиприливнымигравитационнымисилами, возникающимииз-заразницыпритяжениянаразныхрасстоянияхотцентра.

Чернаядыравсегдаготовапоглотитьвеществоилиизлучение, увеличивэтимсвоюмассу. ЕевзаимодействиесокружающиммиромопределяетсяпростымпринципомХокинга: площадьгоризонтасобытийчернойдырыникогданеуменьшается, еслинеучитыватьквантовогорождениячастиц.

Дж. Бекенстейнв 1973 предположил, чточерныедырыподчиняютсятемжефизическимзаконам, чтоифизическиетела, испускающиеипоглощающиеизлучение (модель «абсолютночерноготела»). ПодвлияниемэтойидеиХокингв 1974 показал, чточерныедырымогутиспускатьвеществоиизлучение, нозаметноэтобудетлишьвтомслучае, еслимассасамойчернойдырыотносительноневелика. ТакиечерныедырымоглирождатьсясразупослеБольшоговзрыва, скоторогоначалосьрасширениеВселенной. Массыэтихпервичныхчерныхдырдолжныбытьнеболее 10¹⁵г (какунебольшогоастероида), аразмер 10^-¹⁵м (какупротонаилинейтрона). Мощноегравитационноеполевблизичернойдырырождаетпарычастица–античастица; однаизчастицкаждойпарыпоглощаетсядырой, автораяиспускаетсянаружу. Чернаядырасмассой 10¹⁵гдолжновестисебякактелостемпературой 10¹¹К. Идеяоб «испарении» черныхдырполностьюпротиворечитклассическомупредставлениюонихкакотелах, неспособныхизлучать.

Поискчерныхдыр. РасчетыврамкахобщейтеорииотносительностиЭйнштейнауказываютлишьнавозможностьсуществованиячерныхдыр, ноотнюдьнедоказываютихналичиявреальноммире; открытиенастоящейчернойдырысталобыважнымшагомвразвитиифизики. Поискизолированныхчерныхдырвкосмосебезнадежнотруден: мынесможемзаметитьмаленькийтемныйобъектнафонекосмическойчерноты. Ноестьнадеждаобнаружитьчернуюдырупоеевзаимодействиюсокружающимиастрономическимителами, поеехарактерномувлияниюнаних.

Сверхмассивныечерныедырымогутнаходитьсявцентрахгалактик, непрерывнопожираятамзвезды. Сконцентрировавшисьвокругчернойдыры, звездыдолжныобразоватьцентральныепикияркостивядрахгалактик; ихпоискисейчасактивноведутся. Другойметодпоискасостоитвизмерениискоростидвижениязвездигазавокругцентральногообъектавгалактике. Еслиизвестноихрасстояниеотцентральногообъекта, томожновычислитьегомассуисреднююплотность. Еслионасущественнопревосходитплотность, возможнуюдлязвездныхскоплений, тополагают, чтоэточернаядыра. Этимспособомв 1996 Дж. Морансколлегамиопределили, чтовцентрегалактикиNGC 4258, вероятно, находитсячернаядырасмассой 40 млн. солнечных.

Наиболееперспективнымявляетсяпоискчернойдырывдвойныхсистемах, гдеонавпареснормальнойзвездойможетобращатьсявокругобщегоцентрамасс. Попериодическомудоплеровскомусмещениюлинийвспектрезвездыможнопонять, чтоонаобращаетсявпареснекимтеломидажеоценитьмассупоследнего. Еслиэтамассапревышает 3 массыСолнца, азаметитьизлучениесамоготеланеудается, тооченьвозможно, чтоэточернаядыра.

Вкомпактнойдвойнойсистемечернаядыраможетзахватыватьгазсповерхностинормальнойзвезды. Двигаясьпоорбитевокругчернойдыры, этотгазобразуетдиски, приближаясьпоспираликчернойдыре, сильнонагреваетсяистановитсяисточникоммощногорентгеновскогоизлучения. Быстрыефлуктуацииэтогоизлучениядолжныуказывать, чтогазстремительнодвижетсяпоорбитенебольшогорадиусавокругкрохотногомассивногообъекта.

С 1970-хгодовобнаруженонесколькорентгеновскихисточниковвдвойныхсистемахсявнымипризнакамиприсутствиячерныхдыр. СамойперспективнойсчитаетсярентгеновскаядвойнаяV 404 Лебедя, массаневидимогокомпонентакоторойоцениваетсянеменеечемв 6 массСолнца. ДругиезамечательныекандидатывчерныедырынаходятсявдвойныхрентгеновскихсистемахЛебедьX-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZЛисички, атакжеврентгеновскихновыхЗмееносец 1977, Муха 1981 иСкорпион 1994. ЗаисключениемLMCX-3, расположеннойвБольшомМагеллановомОблаке, всеонинаходятсявнашейГалактикенарасстоянияхпорядка 8000 св. летотЗемли.