Черные дырыЧерные дыры
Июнь 2000 г.
Предисловие
Жизненный путь звезд
Нейтронная звезда или черная дыра?
Где они?
Cвойства черных дыр
Где найдены "космические пылесосы"?
Литература
Источники иллюстраций
ПредисловиеВ 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности (ОТО), в которой заложена основа гравитационной теории и, среди прочего, рассматривается искривление пространства и времени под действием гравитации. Одним из выводов ОТО явилось предсказание черных дыр, уже математически обоснованное. Сам термин "черная дыра" был введен американским астрономом Джоном Уилером в 1968 году.
Большую часть жизни звезда находится в равновесном состоянии: давление внутренних слоев газа сопротивляется весу внешних слоев газа. Все время, что звезда находится в равновесии, в ее ядре протекает ядерная реакция превращения водорода в гелий. По мере исчерпания запасов водорода в ядре звезда приближается к концу своего жизненного пути. Силы, оказывавшие сопротивление тяжести внешней оболочки, постепенно угасают.
Теперь дальнейшая судьба звезды будет зависеть от ее массы. Если масса ее не больше 1.5 массы Солнца (предел Чандрасекара), то сначала она раздуется и охладится, став красным гигантом, – температура на ее поверхности снизится до 3,000 – 4,000 К. При этом может произойти сброс внешней раздувшейся оболочки, а ядро, которое теперь состоит большей частью из железа, под действием собственной гравитации сожмется и превратится в белый карлик (звезду с очень большой плотностью – около тонны на кубический сантиметр – но размерами порядка земных), медленно остывающий. Такая судьба ожидает и Солнце примерно через 5 млрд лет.
Но если масса звезды превышает предел, то изменения с ней будут происходить гораздо интенсивнее. Она раздуется в красный сверхгигант; произойдет взрыв сверхновой звезды – катастрофа галактических масштабов. При вспышке сверхновой сбрасывается внешняя оболочка звезды и выделяется огромное количество энергии – порядка 1046 Дж. Большинство вспышек сверхновых регистрируются не в нашей Галактике, а в других галактиках, и зачастую сверхновые светят ярче, чем все остальные звезды галактики, вместе взятые! (Так было, когда в ближайшей к нам галактике – Большом Магеллановом Облаке – в 1987 году вспыхнула сверхновая: в течение нескольких дней она разгоралась, пока не сравнялась по яркости с совокупностью всех остальных звезд БМО.) В тех редких случаях, когда вспышки сверхновых в нашей Галактикене не были спрятаны от нас межгалактической пылью, сверхновые были видны даже днем, а ночью светили ярче полной Луны.
Почти вся энергия, выделившаяся при взрыве, расходуется на разгон вещества сброшенной оболочки, так что оно удаляется от ядра со скоростью в несколько тысяч километров в секунду.
В том случае, если масса оставшегося после взрыва сверхновой ядра не больше 3 массы Солнца, произойдет "обычный" гравитационный коллапс – ядро сожмется под действием собственной гравитации и превратится в нейтронную звезду – звезду, почти полностью состоящую из нейтронов. Нейтронные звезды имеют чудовищную плотность даже по сравнению с белыми карликами,– порядка 1016 кг/м3 (или 10 млн т/см3!), они являются источниками сильного радиоизлучения.
Но если после взрыва сверхновой масса ядра будет превышать 3 солнечные, то гравитационный коллапс не остановится на стадии нейтронной звезды и продолжится, пока ядро не превратится в черную дыру.
Здесь необходимо напомнить некоторые физические понятия. Вторая космическая скорость VII – это минимальная скорость, которую должен развить объект, чтобы преодолеть силу притяжения тела массой М и радиусом r и "улететь в космос".
, где G – гравитационная постоянная.
Для Земли VII= 7.9км/с, для Солнца VII = 620 км/с.
Гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда, тела массой М равен:
где с – скорость света в
вакууме. Если радиус звезды равен
гравитационному, то вторая космическая
скорость:
Гравитационный коллапс
ядра звезды массой 3 и более солнечных
настолько стремителен, что оно сжимается до
размера, когда его радиус становится меньше
гравитационного радиуса: r < RG. Из
приведенных формул видно, что тогда вторая
космическая скорость в пределах звезды
станет больше скорости света: VII>
c.
Теорией относительности доказывается, что
ничто не может двигаться со скоростью,
большей с. Что это значит? Это значит, что
никакое излучение, в том числе свет, не
может покинуть пределы горизонта
Шварцшильда, т. е. сферы радиусом RG. Говорят,
что тело, попавшее в пределы сферы
Шварцшильда, уходит за горизонт событий, т.
е. удаленный наблюдатель не может узнать,
что происходит с этим телом. При этом черная
дыра обладает мощным гравитационным полем,
т. к. очень плотна.
Таким образом, черная дыра втягивает в себя
"все, что попадется под руку", но ничего
не выделяет и не излучает (отсюда и ее
название). Она выдает себя только своим
гравитационным полем.
Как астрономы могут обнаружить где-либо в космосе черные дыры? Они не светятся и вообще никак не излучают, а единственное, что их выдает, – это мощнейшее гравитационное воздействие, оказываемое ими на окружающие объекты. Например, возможна ситуация двойной звезды, когда две звезды обращаются вокруг их общего центра масс. Одна из них в конце жизни после взрыва сверхновой сколлапсировала в черную дыру, при этом и черная дыра, и нормальная звезда продолжают обращаться вокруг их центра масс. Если наблюдается обращение видимого компонента пары вроде-бы вокруг пустого места, астрономы предполагают, что у звезды есть "собрат" – черная дыра.
Если звезда и черная дыра находятся настолько близко друг к другу, что черная дыра своим притяжением начинает стягивать вещество со звезды: газы со спутника устремляются по спирали к черной дыре, образуя аккреционный диск; по мере приближения к черной дыре газы от трения одних слоев о другие нагреваются до сотен миллионов градусов и начинают излучать в рентгеновском и гамма-диапазонах. Это излучение и смогут зафиксировать приборы (правда, не с Земли, т. к. атмосфера поглощает рентгеновское и гамма-излучение, а из космоса с помощью спутников – рентгеновских и гамма-обсерваторий). Из аккреционного диска начинается мощный выброс газа в виде двух джетов – струй газа – в противоположных направлениях.
Недавние наблюдения позволили также обнаружить одинокие черные дыры (т.е. не имеющие спутника жизни), "дрейфующие" в Галактике. Астрономы охотились за эффектом гравитационного линзирования, создаваемого черной дырой, и дважды такой эффект был замечен. Одинокая черная дыра пролетала перед звездой и своим сильным притяжением искривляла лучи от звезды, фокусируя их как линза. Из-за этого блеск звезды, перед которой пролетала дыра, на время увеличивался, а затем принимал прежнее значение. Эффект линзирования длился 16 месяцев в одном случае и 26 месяцев во втором.
Знаменитая формула Эйнштейна, E = mc2, устанавливает
связь между массой и энергией и возможность
трансформации массы в энергию, и наоборот.
Когда вещество устремляется по направлению
к черной дыре, около 10% массы вещества отбрасывается
прочь от черной дыры (при этом часть из этих
10% превращается в энергию – радиацию,
рентгеновское и гамма-излучение); 90%
попадают в черную дыру. 
(В некоторых
случаях все 100% вещества проникают в дыру,
ничто не выбрасывается и не излучается.)
Уже известно много галактических объектов – источников мощного рентгеновского излучения, практически распознанные как черные дыры. Первый кандидат – Лебедь Х-1, рентгеновский источник в созвездии Лебедя: в 1971 году было обнаружено, что видимый компонент этой пары, звезда, имеет массу 20 солнечных, а невидимый – по разным оценкам от 10 до 35. Это слишком много, чтобы невидимый компонент оказался нейтронной звездой, невидимой только из-за малых размеров. Скорее всего, это черная дыра.
Поблизости черных дыр свойства пространства и времени сильно меняются. Что можно было бы "увидеть" внутри черной дыры, трудно даже вообразить.
Может ли черная дыра переполниться (и перестать быть черной дырой)? Нет. Черная дыра – это уже по существу точка с бесконечной плотностью. Нет предела массы дыры. Если что-либо пересекло горизонт событий, оно уже не может выбраться. Однако, согласно Стивену Хокингу и его исследованиям, черная дыра может испаряться. Как это может быть? Он считает, что из пространства перед горизонтом событий могут вылетать пары частица-античастица, из которых одна падает обратно в дыру, а другая "сбрасывает оковы" и уносится прочь. Таким образом, черная дыра, если она не пополняется большим количеством вещества, чем из нее уносится, может в конце концов полностью испариться – исчезнуть. Причем испарение должно происходить все быстрее, и в конце концов она исчезнет, испустив огромное количество гамма-излучения.
В центре черной дыры перестают действовать даже законы Общей теории относительности – там находится точка, обозначаемая словом singularity (сингулярность) – "своеобразие", "специфичность". Вещество, попавшее в пределы горизонта событий, не образует сферу, подобно звезде, а устремляется к сингулярности.
Время сильно замедляет свое течение вблизи черной дыры, а внутри нее оно вообще останавливается. Наброшенную на черную дыру петлю нельзя было бы стянуть в точку: все процессы, в том числе и стягивание петли, замирают, становятся бесконечно долгими. Удаленный наблюдатель никогда не дождется момента, когда приближающееся к дыре тело наконец упадет на нее, процесс падения затянется на бесконечно долгое время (хотя по "часам" самого падающего тела, оно упадет в пределы горизонта событий за конечное время). Черные дыры – это естественные, созданные самой природой машины времени, правда действующие лишь в одном направлении – в сторону будущего. Почему только в сторону будущего? Потому что как ни велико бывает ускорение, сообщаемое телам гравитацей черной дыры, она не может разогнать ничто до сверхсветовой скорости; а повернуть время вспять можно, только двигаясь быстрее света, что, как уже упоминалось, невозможно. Безусловно, о никакой жизни внутри черной дыры не может быть речи, потому что она вытянет любое тело в "макаронину" (из-за возрастающей по мере падения разницы притяжения к разным частям тела) и разорвет на элементарные частицы.
Однако черные дыры служат хорошей пищей для умов многих писателей-фантастов, было написано великое множество футуристических рассказов, где немалую роль играли эти экзотические объекты – черные дыры. Кстати, именно фантастика выдвинула смелое предположение о существовании во Вселенной наряду с черными дырами и противоположных им по свойствам "белых дыр", которые только излучают, ничего не поглощая; соответственно, они обладают сильным "отрицательным" гравитационным полем, то есть, попросту говоря, отталкивают от себя все находящиеся поблизости тела (что является экзотикой для науки, т.к. гравитация – всегда притяжение, в отличие от других сил – как электромагнетизм). И, как развитие этой идеи, говорят, что "белые дыры" вместе с черными могут являться пространственно-временными мостами (иначе их называют червячными норами – можно, подобно червяку, не ползти по пространству-времени, а пройти его насквозь, появляясь в другом месте и в другое время), то есть все, что поглощается черной дырой, выбрасывается в другом месте "белой дырой". Но пока "белые дыры" относятся более к научной фантастике, чем к науке. Ничто не указывает на их существование. Однако пока не доказана и невозможность существования "белых дыр".
В ходе систематических исследований с помощью КТХ выяснилось, что масса черной дыры в центре галактики пропорциональна массе самой галактики; существуют две гипотезы, объясняющие это. Первая: галактики сформировались из множества скоплений звезд, каждое из которых содержало небольшую черную дыру, и эти черные дыры слились воедино; очевидно, что как раз тогда масса черной дыры в центре галактики пропорциональна массе галактики. Вторая: сначала в центре галактик находились немассивные черные дыры, но они поглощали и поглощают строго определенную часть вещества, теряемого звездами в ходе их эволюции. Если эта часть равна примерно 1%, то дыры вполне могли иметь те массы, которые следуют из наблюдений. Какая из этих гипотез ближе к истине, пока не ясно.
Орел SS 433. До 1978 года этот объект
не привлекал к себе внимания и значился в
каталогах лишь как слабая затменно-переменная
звездочка. В 1978 году в ее спектре были
зарегистрированы системы эмиссионных
линий гелия и водорода. Они включали также
две системы линий газовых выбросов,
движущихся в противоположных направлениях
с гигантскими скоростями в 78 тыс. км/с.
Наблюдения показали, что SS 433 – тесная
затменная двойная система, один из
компонентов ее – горячий голубой
сверхгигант, который настолько велик, что
не может сохранить свою целостность и его
вещество непрерывно перетекает на
массивную компактную соседку. Вокруг нее
формируется аккреционный диск. Открытие
рентгеновского излучения SS 433 подтвердило
предположение о наличии нейтронной звезды
или черной дыры. Она-то и затмевает главную
звезду каждые 13 суток. Была выявлена
мощная ионизация атомов железа – до
гелиевых и водородных состояний, т. е. в
атоме железа из 26 электронов остаются 1 или
2. Остальные выбиваются со своих орбит
релятивистскими (то есть имеющими околосветовые
скорости) электронами и квантами рентгеновского
излучения.
А вот описание некоторых галактик, в центре которых находятся черные дыры.
NGC 4151. На изображениях этой галактики, полученных с
Хаббловского Космического Телескопа (КТХ),
ясно различимы мощнейшие выбросы газа из
ядра галактики – струи газа уносятся прочь
от него с околосветными скоростями. Это
довольно недвусмысленно свидетельствует о
том, что в центре NGC 4151 находится черная дыра.
NGC 4261. Огромный диск пыли и холодного газа (300
световых лет в диаметре) поставляет
вещество черной дыре, находящейся в центре.
Она окружена сверхгорячим аккреционным
диском диаметром в несколько сотен
миллионов километров. Часть газа, поставляемого
газопылевым диском, выбрасывается из "околодырного"
пространства в направлениях, перпендикулярных
плоскости аккреционного диска (получается
как бы ось колеса), со скоростями в десятки
тысяч км/с.
M84. Эта галактика расположена
в Скоплении галактик Девы, в 50 миллионах
световых лет от Земли. С помощью
спектрографа КТХ были получены свидетельства
существования черной дыры в центре М84 – это
материя, сильно нагретая и обращающаяся
вокруг центра галактики. Газ на расстоянии
26 световых лет от центра галактики имеет
скорость 400 км/с, это позволило подсчитать
примерную массу предполагаемой черной
дыры – 300 миллионов Солнц.
М87. В 1994 году с
помощью Хаббловского Космического
Телескопа были получены первые
доказательства присутствия черной дыры:
скорость движения газов вокруг центра
галактики М87 указала на наличие в ее центре
черной дыры массой 3 миллиарда Солнц!
Вообще же сверхмассивные черные дыры есть в центре практически каждой галактики. Это гигантские, чудовищной массы “космические пылесосы”, как их иногда величают, они в миллионы раз массивнее нашего Солнца. Например, те же М84 или М87. Расчеты показали, что в центре нашей Галактики тоже должна быть черная дыра массой в 2 миллиона Солнц. Некоторое время астрономы полагали, что в центре Млечного Пути располагается источник радиоизлучения Стрелец А. Теперь в этой области обнаружен еще меньший источник интенсивного излучения, получивший имя Стрелец А* (Sgr A*). На данный момент именно он отождествляется с центром Галактики. Массы, затягиваемые черной дырой, могут высвобождать те невероятные количества энергии, которые регистрируют наши приборы, особенно в рентгеновском диапазоне. При этом масса дыры каждый год увеличивается на 0.0002 массы Солнца.