Черная дыра

Черная дыра — космический монстр

Таинственные «провалы»

В последние десятилетия XX века астрономы смогли обнаружить в бескрайних просторах Вселенной немало удивительных объектов. Это – и пульсары, и квазары, и нейтронные звезды. Но наверно, самым поразительными и таинственными являются черные дыры – области пространства-времени, в которых гравитационное поле до такой степени сильное, что ни один объект (даже излучение) не в состоянии его покинуть.

А появился термин «черные дыры» в 1968 г. с легкой руки физика из Америки Джона Уилера. Новое название быстро вошло в научный обиход и в скором времени полностью заменило использовавшиеся ранее термины «коллапсар» и «застывшая звезда».

Первым же еще в 1795 г. гипотезу о существовании невидимых звезд выдвинул знаменитый математик, физик и астроном из Франции Пьер Симон Лаплас (1749—1827), который, в частности, создал теорию образования планет Солнечной системы из разреженной материи.

Основываясь на законе всемирного тяготения, открытого Исааком Ньютоном, Лаплас сделал выводы, что звезда, имеющая такую же плотность, что и наша планета, а диаметр – в 250 раз больше солнечного, не даст ни одному световому лучу достичь Земли из-за своего тяготения. Вероятно, именно потому самые яркие звезды оказываются невидимыми.

В действительности, чем больше космическое тело, тем большая скорость необходима для того, чтобы это тело покинуть. Эта скорость называется 2-й космической, и для Земли она равна 11 км/сек. А вот на Солнце вторая космическая скорость уже 620 км/сек. При этом вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, так как с увеличением массы тяготение возрастает, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

Потому если бы радиус Солнца стал 10 км, а масса осталась той-же, то 2-я космическая скорость увеличилась бы до половины скорости света, то есть до 150 000 км/сек. Если бы радиус нашего светила продолжал уменьшаться, то при неизменной массе вторая космическая скорость достигла бы 300 000 км/сек, или скорости света!

Казалось бы, гипотеза Лапласа довольно убедительно доказывала существование во Вселенной объектов, которых из-за мощной их гравитации нельзя увидеть с Земли. Но во времена Лапласа еще не знали, что скорости выше скорости света в природе попросту не существует, потому и представление о черных дырах было неполное.


И только общая теория относительности, разработанная Эйнштейном, дала возможность придать более современное понимание черным дырам.

Согласно законам Ньютона при сжатии тела вдвое его притяжение возрастает в четыре раза. Если же тело сжать до такого состояния, что его радиус уменьшится до нуля, то гравитация соответственно, возрастает до бесконечности.

Но Эйнштейн доказал, что гравитация будет расти быстрей, и скорость ее роста при последующем сжатии будет увеличиваться. Тяготение же примет бесконечную величину при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Говоря по другому, хотя тело и не превратится в точку, то есть оно будет иметь определенные размеры, однако его гравитация будет стремиться к бесконечности.

Из всего вышесказанного вытекает, что гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. К примеру, гравитационный радиус Земли равен 10 миллиметрам, в то время как реальный – 6 400 км. Для Солнца этот радиус равняется 3 тыс. метрам, тогда как существующий – 700 тыс. км.

Итак, любое небесное тело, сжавшееся до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, потому как свет или любое другое излучение не может его покинуть из-за того, что 2-я космическая скорость в этих условиях будет выше скорости света.

Вот только неясно: какая сила способна сжать звезду до гравитационного радиуса? На этот вопрос астрофизики, особо не задумываясь, отвечают: сама звезда! Дело в том, что пока она «живет», внутри нее протекают термоядерные реакции, которые и создают потоки излучения, устремляющиеся к поверхности газового шара. Но количество вещества, необходимого для реакций (к примеру, водорода), не безгранично, потому за какое-то время – от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет – оно иссякает.

После чего внутреннее давление, которое поддерживало термоядерные реакции, исчезает, и звезда начнет сжиматься под воздействием собственной гравитации. При этом некоторые звезды сжимаются весьма быстро – катастрофически. В результате происходит так называемый гравитационный коллапс.

Доказав теоретически существование черных дыр, астрономы начали искать способы, чтобы увидать их воочию. Эта работа началась с поиска источников с рентгеновским излучением, потому как оно появляется лишь при нагревании окружающего газа до сверхвысоких температур. Но чтобы такое нагревание произошло, надо, чтобы было очень сильным поле тяготения. А такие поля имеют сжавшиеся звезды: белые карлики, нейтронные звезды и…. черные дыры! Но если белые карлики возможно наблюдать непосредственно, то с черными дырами проблема усложняется. Но астрономы смогли разрешить и эту задачу.

Выяснив, что если тело имеет массу, которая в два раза превышает солнечную, то оно вполне может претендовать на роль черной дыры. Измерить же массу небесного объекта относительно легко, если оно имеет пару в виде другого небесного тела.

В конце концов такую двойную систему, которая к тому же излучает в рентгене, астрономы нашли в созвездии Лебедя. Объект назвали Лебедь Х-1, и он стал первым кандидатом в черные дыры.

Расположен он на расстоянии 6 тыс. световых лет от нашей планеты и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 Солнц и невидимого объекта массой 10 Солнц, который излучает в рентгеновском диапазоне.

Однако если из черной дыры ничто не сможет вырваться, то тогда как же она может излучать? Получается парадоксальная ситуация. Но, оказывается, излучает не сама черная дыра, а только то вещество, которое на нее падает. Именно по его излучению и определяется наличие черной дыры.

Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, которое устремляется к ней по спирали. И чем это вещество ближе к черной дыре, тем сильней оно разогревается. Наконец в какой-то момент оно начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные наблюдатели.

«Туннели» в неведомое

Черные дыры, как и обычные звезды, отличаются большим разнообразием, в особенности по своим размерам. Потому астрономы делят их на три типа.

К первому из них относят черные дыры, масса которых равна приблизительно 10-ти массам Солнца. Они формируются из массивных звезд, когда в тех прекращаются термоядерные реакции.

Второй тип представлен сверхмассивными черными дырами в центрах галактик: их массы – от миллиона до миллиардов солнечных. Они, как правило, расположены в центрах галактик – звездных островов Вселенной.

Кроме этого, космические монстры обладают невероятным аппетитом. Все время увеличивая свою массу, они уже «съели» все окружающее их вещество, масса которого равняется миллионам Солнц. Но тем не менее не перестают так-же активно «поглощать» ближайшее окружение, увеличивая тем самым свои «габариты».

В постоянное меню черной дыры входят: газ, пыль, планеты и звезды, но порой они лакомятся даже своими ближайшими родственниками – компактными массивными объектами типа черных дыр звездной массы. Не обделяют они вниманием и нейтронные звезды, и белых карликов, случайно оказавшимися в их поле тяготения. Именно эти объекты громче всех «кричат» в рентгеновском и гамма диапазонах, когда черная дыра поглощает их.

И, в конце концов, к третьему типу относятся первичные черные дыры, появившиеся в начале эволюции Вселенной. Их можно считать карликами среди черных дыр, потому как их массы сравнимы с весом крупных астероидов.

«Память» черных дыр

В отношении черных дыр продолжительное время в научных кругах преобладало мнение, что эти, наверно, самые таинственные, объекты во Вселенной ничем друг от друга не отличаются, то есть говоря человеческим языком, все они на одно лицо.

Но исследования, проведенные в начале XXI века учеными из Америки, это устоявшееся представление о черных дырах полностью опровергли. Выяснилось, они почти так же уникальны, как люди. Больше того, их возможно не только различить, но также выяснить их долгую «биографию», то есть то, что происходило с ними в далеком прошлом. Разумеется, только теоретически.

Такие интересные данные о черных дырах получила группа американских астрофизиков, под руководством профессора Самира Матура. Эти исследователи смогли разработать новую теорию строения черных дыр, которая, по мнению ученых, даст возможность разрешить давнюю проблему физики: так называемый информационный парадокс.

Суть же этого парадокса состоит в следующем. В соответствии с общепринятой моделью черной дыры, причем совершенно неважно, из чего она была построена и в какой пропорции – из протонов или электронов, из газа, планет или звезд, – колоссальная гравитация превращает весь этот материал в абсолютно однородную структуру.

Из этого в свою очередь следовало, что внутренняя структура всех черных дыр практически одинаковая. Отличаются же они друг от друга только своими гигантскими массами и диаметром горизонта событий, в пределах которого вырваться из смерча черной дыры ничто уже не в состоянии.

Раньше в соответствии с расчетами знаменитого физика Стивена Хокинга, получалось, что оказавшаяся в черной дыре частица никакого влияния на нее не оказывает. Единственное, что она может сделать, – увеличить массу этого космического монстра.

Но в этой теории ученые нашли один существенный недостаток: она противоречила одному из законов квантовой механики – закону обратимости, который гласит, что теоретические вычисления должны объяснить не только процесс, связанный с образованием черной дыры, но и вернуться к тем первоначальным условиям, которые этот механизм образования «включили».

Это означало, что если принять за основу построения Хокинга, из которых следовало, что все черные дыры одинаковые, то даже теоретически нельзя было проследить «историю» хотя бы одной из них к ее уникальному началу. То есть любая информация о частицах, которые создали черную дыру, терялась в ней навсегда.

Именно в таком положении вещей Матур однажды усомнился. И, для опровержения этой концепции, он воспользовался широко известной в наше время теорией струн, которая предполагает, что все фундаментальные частицы состоят из объектов, именуемых струнами.

В соответствии с существующими теоретическими построениями струны могут вести себя самым различным образом: они могут переплетаться, свиваться в кольца, формировать спирали. Мы же в нашем масштабе воспринимаем эти комбинации струн как частицы, составляющие мир.

Так вот, Матур попытался вычислить, как будут вести себя струны, объединенные в очень массивный и протяженный объект, своего рода гигантскую «элементарную частицу». На решение этой грандиозной задачи, у физика ушло несколько лет. При этом работал он над ней не сам, а в группе с несколькими учеными из разных стран.

В ходе этого исследования установили, что струны могут образовывать довольно сложную упругую и эластичную структуру гигантской протяженности. При этом, постепенно увеличивая массу вещества в своей теоретической структуре, Матур в конце концов «создал» черную дыру. И что самое любопытное в модели Матура, по диаметру теоретическая «черная дыра» в точности соответствовала поперечнику горизонта событий для черной дыры той же массы, но рассчитанной по классической модели.

Новую структуру черной дыры ученые назвали «Пушистый клубок». При чем, как показали дальнейшие расчеты, в разных черных дырах этот клубок может иметь самые различные формы: как цветы на лугу или листья на дереве. Таким образом, профессор Матур доказал, что черные дыры не обезличеные, а в действительности уникальны и неповторимы. Отсюда и разрешение «информационного парадокса», который, кстати, в 2 000 г. под № 8 был включен в десятку основных проблем физики третьего тысячелетия.

Итак, в черных дырах ничего не исчезает бесследно, и в запутанном переплетении струн остается информация о частицах, породивших эту загадочную структуру Вселенной.

Странный мир черных дыр

Выяснив, как появляется этот космический монстр, астрофизики пытаются также заглянуть и вовнутрь черной дыры. И кое-какую информацию им удалось получить. Конечно же, при помощи теоретических моделей.

Так, исследователям удалось выяснить, что черная дыра представляет из себя огромную круглую воронку, а также, что черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание.

Кроме этого, в своих моделях физики попытались оценить происходящее внутри черной дыры глазами человека, оказавшегося в этой воронке. И первое, что смог увидеть бы такой условный человек, это огромное количество звезд, проваливающихся в эту пучину. Многие из них, сталкиваясь друг с другом, крушились бы и распадались на фрагменты.

Он смог бы также увидеть, как из краев темной воронки появляются блики света, и над ее склоном переливаются яркие, искристые фонтаны. Этот, окаймляющий воронку, диск называется аккреционным. Он вращается на огромной скорости: около 18 миллионов км/час. Состоит этот диск из газа и пыли, которые, скатываясь по «спирали смерти», падают в черную дыру.

Сама же черная дыра походит на гигантскую динамо-машину, вокруг которой появляется мощное магнитное поле. Когда напряжение достигает некой критической величины, черная дыра «разряжается». И тогда из нее, словно брызги из кипящего котла, вырываются струи газа и пыли, называемые джетами. Они уносятся вдаль почти со скоростью света. При чем нередко простираются на миллион световых лет и пылают, как сотни миллиардов солнц.

Итак, все, что движется медленней частиц света, рано или поздно нырнет во мрак и навсегда исчезнет в ненасытной пасти черных дыр. И только лучи света будут постоянно и монотонно кружить по краю диска, по одной и той же линии, никуда не смещаясь.

При погружении внутрь черной дыры под влиянием возрастающей силы гравитации время начинает течь все медленней и медленней.

Зато за пределами черной дыры время летит, как ураган. А в самом сердце космического монстра время будто взрывается. За доли секунды остывает Солнце, а небо покрывается новыми галактиками.

Время превращается в точку: наступает так называемая сингулярность, то есть состояние, когда вещество имеет бесконечную плотность и температуру. Однако что в действительности представляет сингулярность в центре черной дыры – никто сказать не может. Там должны нарушаться законы физики, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается.

Но это только результат математических моделей.

Впрочем, еще в 1976 г. Фримен Дайсон сделал предположение, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую вселенную. Туннель, ведущий туда, разверзается посреди черной дыры. Идея эта показалась самому Дайсону до такой степени ненаучной, что он не стал публиковать ее. Но поздней к той же мысли пришли Стивен Хокинг и американский космолог Ли Смолин.

 

 


 

А.Бернацкий

ред. shtorm777.ru