Черные дыры

Вероятно, никакие другие небесные объекты не были так радушно приняты научными фантастами, как черные дыры. Это, пожалуй, самые экзотические космические феномены из известных.

 

Материя, втягиваемая черной дырой

Материя, втягиваемая черной дырой.

 

Содержание

  1. Краткая информация о черных дырах
  2. Описание и особенности черных дыр
  3. За горизонт событий
  4. Обнаружение черных дыр
  5. Внутри черной дыры

 

Струи газа, истекающие от границ черной дыры в галактике Центавр А

Струи газа, истекающие от границ черной дыры в галактике Центавр А.

 

Краткая информация о черных дырах

  • Впервые предсказаны: Джон Мичелл, 1783 год
  • Первая современная теория: Карл Шварцшильд, 1916 год
  • Размер черной микродыры: примерно до 0,1 мм
  • Масса черной микродыры: примерно до массы Луны
  • Размеры черных дыр звездных масс: порядка 30 км
  • Массы черных дыр звездных масс: порядка 10 масс солнца
  • Размеры черных дыр промежуточных масс: порядка 1000 км
  • Массы черных дыр промежуточных масс: порядка 1000 масс солнца
  • Размеры сверхмассивных черных дыр: 150 000 — 1,5 млрд км
  • Массы сверхмассивных черных дыр: 100 000 — 1 млрд масс солнца

 

Описание и особенности черных дыр

Черные дыры настолько массивны и в то же время компактны, что ничто не может преодолеть их гравитационное притяжение. Свет, который попадает в черную дыру, никогда не вернется обратно. Предположительно черными дырами становятся звезды, массы которых начинаются от 30 солнечных и которые прошли через взрыв сверхновой. Гравитационное притяжение ядер таких звезд настолько велико, что противостоит всем попыткам нейтронов противостоять ему.

 

Если сверхмассивные звезды начинают коллапсировать, события принимают интересный оборот. Вместо того чтобы сформировать нейтронную звезду, ядро умирающей звезды продолжает сжатие вплоть до формирования черной дыры. Есть разные виды черных дыр, но прежде всего, давайте сосредоточимся на том, что представляет собой черная дыра в терминах теории относительности Эйнштейна.

 

Эйнштейн показал, что самый лучший путь наглядно продемонстрировать действие сил гравитации представить себе лист пластичного тянущегося материала, размеченный координатной сеткой и закрепленный в раме. Если прокатить по такой конструкции легкий стеклянный шарик, то какое-то время он будет двигаться прямо в том направлении, в котором его подтолкнули. Но если положить на этот лист более тяжелый объект, например шар для боулинга, картина будет иной: материал под тяжестью шара растянется, и тот провалится в образовавшуюся яму. Если теперь подтолкнуть стеклянный шарик, его путь по поверхности листа будет определяться деформацией, вызванной продавившим его шаром для боулинга. Выражаясь языком Эйнштейна, масса шара для боулинга искажает сетку (он бы сказал «пространственно-временную сетку»), и то, что мы интерпретируем как силы гравитации, на самом деле есть результат этого искажения.

 

Теперь представьте, что мяч для боулинга становится все тяжелее, все сильнее вдавливаясь в материал. В какой-то момент ткань обернет шар, поглотив его, а потом и вовсе прорвется, в результате чего шар покинет разлинованный лист. Так вы получите «черную дыру» область в пространстве, отрезавшую себя от остальной Вселенной.

 

За горизонт событий

Немецкий физик Карл Шварцшильд предсказал существование черных дыр в 1916 году, вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. Долгое время решение уравнений Эйнштейна, выполненное Карлом Шварцшильдом, считали странным, эдаким утконосом астрофизики. Однако я хорошо помню, что, обсуждая их в классе по общей теории относительности в Стэнфорде в 1960-х, мы должны были запомнить, что хотя черные дыры и предсказаны теорией, они никак не могут существовать в реальности. Такова была ортодоксальная точка зрения в XX веке.

 

Что делает решение Шварцшильда таким странным, так это существование так называемого горизонта событий, иначе радиуса Шварцшильда. Он обозначает «точку невозврата», границу в пространстве, которая отделяет внутреннюю часть черной дыры от остальной Вселенной. Горизонт событий окружает крошечную область пространства: чтобы создать один такой, например, для Солнца, вам придется упаковать его в сферу радиусом чуть больше 1,5 км. В результате в районе горизонта событий происходят действительно странные вещи.

 

Есть аналогия, которая поможет вам понять, что же это такое. Представьте, что вы с другом садитесь в пару каноэ и отправляетесь вниз по реке. Вы общаетесь с людьми, остающимися в точке старта, регулярно отправляя им какие-то звуковые сигналы (например, ежеминутно, сверяясь по часам), и так они могут следить за вашим передвижением. Представьте, что дальше на вашем пути расположен водопад, при приближении к которому скорость течения возрастает. В какой-то момент скорость воды превысит скорость распространения звука. В этом месте и находится аналог горизонта событий. Как будет продолжаться ваш спуск по реке с точки зрения вашего каноэ и ваших друзей на берегу?

 

Для них промежутки между вашими звуковыми сигналами будут все больше увеличиваться по мере возрастания скорости каноэ. Если говорить техническим языком, ваши часы по их меркам будут замедлять ход (по той причине, что звуковые сигналы будут доходить все реже) до тех пор, пока вы, наконец, не пересечете горизонт событий, тогда сигналы прекратятся, то есть часы «остановятся». Однако вы и ваш друг в соседнем каноэ не будете замечать ничего странного и сможете продолжать нормально общаться. Так что для вас при пересечении горизонта событий ничего особенного не произойдет.

 

Точно так же удаленный наблюдатель, следящий за объектом, падающим в черную дыру, будет видеть, что время в системе объекта идет все медленнее, а после и вовсе останавливается на горизонте событий. Для наблюдателя же, находящегося на летящем в черную дыру объекте, никаких изменений в поведении имеющихся часов не будет. Такова природа горизонта событий.

 

Обнаружение черных дыр

Из нашего описания черных дыр вытекает, что их нельзя обнаружить обычным путем по отраженному свету, поскольку никакой свет, посланный в черную дыру, по определению не может вернуться обратно. Черные дыры, однако, являются причиной гравитационный воздействия, соответствующего их массе, что может быть использовано для их обнаружения.

 

В 1980-х годах ученые, наблюдая движение объектов в гравитационном поле невидимого тела, нашли первое подтверждение существования черных дыр в нашей Вселенной. Производя мониторинг тел вблизи центра нашей Галактики (который расположен в созвездии Стрелец), они заметили, что объекты там обращались вокруг какого-то чрезвычайно массивного тела того, что мы сегодня называем галактической черной дырой. Черная дыра в центре Млечного Пути имеет массу в несколько миллионов солнечных.

 

Кротовая нора (или червоточина)

Кротовая нора (или червоточина) может привести от Земли (вверху в центре) к близкой звезде альфа Центавра намного быстрее, чем традиционное перемещение в пространстве (красная стрелка) со скоростью света или близкой к ней. Гипотетические кротовые норы, согласующиеся с теорией относительности, излюбленный объект фантастов.

 

Также следует помнить, что в Галактике находится много сотен миллиардов звезд, поэтому черная дыра в ее центре заключает в себе лишь крохотную часть ее массы. Астрономы считают, что практически у всех галактик в центре имеются черные дыры.

 

Другой способ обнаружить черную дыру при помощи излучения ее ближайших окрестностей. Вещество, проваливающееся в черную дыру, имеет тенденцию группироваться в то, что называют аккреционным диском. Столкновения в этом диске нагревают его, и поэтому он излучает на высоких энергиях. Этот эффект позволяет нам увидеть черные дыры меньшего размера, которые являются результатом коллапса звезд так называемые черные дыры звездных масс. Наиболее вероятные кандидаты в черные дыры звездных масс - двойные звездные системы, в которых один из компаньонов закончил свой жизненный цикл и превратился в черную дыру. В этом случае черная дыра может перетягивать материю с другой звезды, что приведет к образованию аккреционного диска. Он станет нагреваться и излучать, например, в рентгеновском диапазоне. Звезда Лебедь Х-1, сильный источник рентгеновского излучения, самый, пожалуй, лучший кандидат в черные дыры звездных масс.

 

Лебедь Х-1 в оптическом диапазоне

Лебедь Х-1 в оптическом диапазоне

Система Лебедь Х-1 (внизу слева) находится вблизи очагов звездообразования в Млечном Пути. Предположительно эта двойная система содержит черную дыру массой порядка 15 масс Солнца, которая обращается вокруг голубого гиганта (внизу справа). Ученые считают, что черная дыра перетягивает вещество своего компаньона и испускает некоторую его часть в виде высокоскоростных джетов.

 

Внутри черной дыры

До этого момента мы говорили только о наблюдении черных дыр извне. У нас нет достоверной информации о том, что находится внутри этих объектов просто потому, что информация не доходит из их недр. Наши математические модели показывают, однако, что внутренности этих объектов, могут быть очень странными. Решение Шварцшильда, например, предсказывает, что в центре черных дыр может быть сингулярность место, в котором кривизна пространства-времени становится бесконечной. Известные законы физики отступают перед сингулярностью. В случае электрически заряженных или вращающихся черных дыр существует теоретическая возможность, что некто, вошедший в черную дыру в одном месте, может выйти из нее в другом пространственно-временном континууме. Этот излюбленный писателями-фантастами путь называется кротовой норой. Аналогичные модели предполагают, что, пройдя через черную дыру, можно совершить путешествие во времени.

 

Но не спешите восторженно вздыхать. Вспомните, что гравитационные поля вблизи черных дыр настолько велики, что разница давлений в области ваших ног и головы будет достаточна, чтобы растянуть вас и разорвать на части (этот процесс астрофизики называют спагеттификацией). Ничто, даже самый крепкий звездолет, который только можно себе представить, не сможет выдержать путешествие через сингулярность. Так что старайтесь избегать черных дыр, если сможете!

 

Крупный план черной дыры в двойной системе Лебедь Х-1 в представлении художника

Крупный план черной дыры в двойной системе Лебедь Х-1 в представлении художника.