Черные дыры — единственные космические тела, способные притягивать силой гравитации свет. Они же являются самыми большими объектами Вселенной. Мы вряд ли в ближайшее время узнаем, что происходит возле их горизонта событий (известного как «точка невозврата»). Это самые таинственные места нашего мира, о которых, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор известно очень мало. В этой статье собраны 10 фактов, которые можно назвать наиболее интригующими.
Черные дыры не втягивают в себя материю
Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.
Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.
Существования черных дыр было предсказано Карлом Шварцшильдом
Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна, для того, чтобы обосновать существование «точки невозврата». Сам Эйнштейн не задумывался о черных дырах, хотя его теория позволяет предсказать их существование.
Шварцшильд сделал свое предположение в 1915 году, сразу вслед за тем, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Тогда же возник термин «радиус Шварцшильда» - это величина, которая показывает, как сильно вам придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.
Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Например, Земля стала бы черной дырой, если бы ее массой обладал объект величиной с арахис.
Черные дыры могут порождать новые вселенные
Мысль о том, что черные дыры могут порождать новые вселенные кажется абсурдной (тем более, что мы все еще не уверены в существовании других вселенных). Тем не менее, подобные теории активно разрабатываются учеными.
Очень упрощенная версия одной из этих теорий заключается в следующем. Наш мир обладает исключительно благоприятными условиями для появления в нем жизни. Если бы какие-либо из физических констант изменились хотя бы чуть-чуть, нас бы не было в этом мире. Сингулярность черных дыр отменяет обычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую вселенную, которая будет отличаться от нашей.
Черные дыры могут превратить вас (и все, что угодно) в спагетти
Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти (есть даже специальный термин - «спагеттификация»).
Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжении начинает работать против вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними. Результат: спагеттификация!
Черные дыры испаряются со временем
Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие).
Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.
Черные дыры замедляют время вблизи себя
По мере приближения к горизонту событий время замедляется. Чтобы понять, почему это происходит, нужно обратиться к «парадоксу близнецов», мысленному эксперименту, часто используемому для иллюстрации основных положений общей теории относительности Эйнштейна.
Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй улетает в космическое путешествие, двигаясь со скоростью света. Вернувшийся на Землю близнец обнаруживает, что его брат постарел больше, чем он, потому что при движении на скорости, близкой к скорости света, время идет медленнее.
Приближаясь к горизонту событий черной дыры, вы будете двигаться с такой высокой скоростью, что время для вас замедлится.
Черные дыры являются самыми совершенными энергетическими установками
Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела.
Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!
Черные дыры искривляют пространство рядом с собой
Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).
Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной
Звезды возникают из газовых облаков. Для того, чтобы началось формирование звезды, облако должно остыть.
Излучение абсолютно черных тел мешает газовым облакам остывать и предотвращает появление звезд.
Теоретически, любой объект может стать черной дырой
Единственное отличие нашего Солнца от черной дыры — сила гравитации. В центре черной дыры она намного сильнее, чем в центре звезды. Если бы наше Солнце было сжато до примерно пяти километров в диаметре, оно могло бы быть черной дырой.
Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же мы знаем, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.
Прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, вы уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, ОТО лучше не использовать в этих местах - она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнанно, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Как образуются черные дыры?
В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр. Лучше всего понимаем связанный со звездным коллапсом. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже можно было синтезировать, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, вещество начинает проваливаться к собственному гравитационному центру, становясь все более плотным. В конце концов, оно настолько уплотняется, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: так рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы» и наиболее распространены.
Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.
Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.
Наконец, есть очень умозрительная идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.
Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?
У нас есть много наблюдательных доказательств существования компактных объектов с крупными массами, которые не излучают свет. Эти объекты выдают себя по гравитационному притяжению, например, за счет движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационное линзирование. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это вытекает из наблюдений, потому что вещество, падая на объект с поверхностью, должно вызывать выброс большего числа частиц, чем вещество, падающее сквозь горизонт.
Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?
Он имел в виду, что черные дыры не имеют вечного горизонта событий, а только временный кажущийся горизонт (см. пункт первый). В строгом смысле только горизонт событий считается черной дырой.
Как черные дыры испускают излучение?
Черные дыры испускают излучение за счет квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты вещества, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время коллапсирующей черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависимо от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, падающий в черную дыру, думает, что падает в вакуум, наблюдатель далеко от черной дыры думает, что это не вакуум, а полное частиц пространство. Именно растяжение пространства-времени вызывает этот эффект.
Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом, испускаемое черной дырой излучение называется «излучением Хокинга». Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. У звездных и сверхмассивных черных дыр, которые мы знаем, температура значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдается.
Что такое информационный парадокс?
Парадокс потери информации обусловлен излучением Хокинга. Это излучение сугубо термическое, то есть случайно и из определенных свойств имеет только температуру. Излучение само по себе не содержит никакой информации о том, как сформировалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сокращается. Все это совершенно не зависит от вещества, которое стало частью черной дыры или из которого она образовалась. Выходит, зная только конечное состояние испарения нельзя сказать, из чего сформировалась черная дыра. Этот процесс «необратим» - и загвоздка в том, что в квантовой механике нет такого процесса.
Выходит, испарение черной дыры несовместимо с квантовой теории, известной нам, и с этим нужно что-то делать. Каким-то образом устранить несогласованность. Большинство физиков считают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга должно каким-то образом содержать информацию.
Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?
Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.
На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.
Чёрная дыра возникает в результате коллапса сверхмассивной звезды, в ядре которой заканчивается «топливо» для ядерной реакции. По мере сжатия температура ядра повышается, а фотоны с энергией более 511 кэВ, сталкиваясь, образуют электрон-позитронные пары, что приводит к катастрофическому снижению давления и дальнейшему коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации.
Астрофизик Этан Сигел (Ethan Siegel) опубликовал статью «Крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной» , в которой собрал информацию о массе чёрных дыр в разных галактиках. Просто интересно: где же находится самая массивная из них?
Поскольку наиболее плотные скопления звёзд - в центре галактик, то сейчас практически у каждой галактики в центре находится массивная чёрная дыра, образованная после слияния множества других. Например, в центре Млечного пути есть чёрная дыра массой примерно 0,1% нашей галактики, то есть в 4 млн раз больше массы Солнца.
Определить наличие чёрной дыры очень легко, изучив траекторию движения звёзд, на которые воздействует гравитация невидимого тела.
Но Млечный путь - относительно маленькая галактика, которая никак не может иметь у себя самую большую чёрную дыру. Например, недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 - она примерно в 200 раз больше нашей.
Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (на фото). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.
Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.
Но где же во Вселенной самая большая чёрная дыра? Если исходить из расчёта, что в центре почти каждой галактики имеется такой объект с массой 0,1% от массы галактики, то нужно найти самую массивную галактику. Учёные могут дать ответ и на этот вопрос.
Самая массивная из известных нам - галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029, который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.
В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края - около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы!
Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной.
Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина - в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.
Есть и ещё один кандидат на роль самой большой чёрной дыры в известной Вселенной. Он изображён на следующей фотографии.
Странный объект OJ 287 называется блазар . Блазары - особый класс внегалактических объектов, разновидность квазаров. Они отличаются очень мощным излучением, которое в OJ 287 меняется с циклом 11-12 лет (с двойным пиком).
По мнению астрофизиков, OJ 287 включает в себя сверхмассивную центральную чёрную дыру, по орбите которой вращается ещё одна чёрная дыра меньшего размера. Центральная чёрная дыра в 18 млрд масс Солнца - самая большая из известных на сегодняшний день.
Эта парочка чёрных дыр станет одним из самых лучших экспериментов для проверки общей теории относительности, а именно - деформации пространства-времени, описанной в ОТО.
Из-за релятивистских эффектов перигелий чёрной дыры, то есть ближайшая к центровой чёрной дыре точка орбиты, должен смещаться на 39° за один оборот! Для сравнения, перигелий Меркурия сместился всего на 43 арксекунды за столетие.
Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.
Для типичной черной дыры звездной массы (M =10M sun) гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·10 14 г/см 3 , то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см 3), она равна плотности вещества атомного ядра.
Для черной дыры в ядре галактики (M =10 10 M sun) гравитационный радиус равен 3·10 15 см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца - равна 150 млн. км или 1,5·10 13 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10 –3 г/см 3 , что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10 –3 г/см 3 (!).
Для Земли (M =3·10 –6 M sun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρ кр = 2·10 27 г/см 3 , что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.
Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света c = 300000 км/с.
Дальше пресс не понадобится - сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет - «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.
Эволюция звезд
Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.
Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством - отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.
Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10 –13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.
Белые карлики
Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4M sun , термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.
Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.
Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик - объект с радиусом порядка радиуса Земли (~10 4 км), массой менее 1,4M sun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 10 10 , то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.
Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4M sun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.
Нейтронные звезды
Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4M sun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.
Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.
Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4M sun , то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4M sun , но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3M sun , то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.
Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.
При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.
Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3M sun , скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.
Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.
Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3M sun , то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.
Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 10 5 –10 6 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10 –3 секунды.
Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары - источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.
У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» - все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.
Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3M sun , испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).
В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.
Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.
Научное мышление подчас конструирует объекты со столь парадоксальными свойствами, что даже самые проницательные ученые поначалу отказывают им в признании. Самый наглядный пример в истории новейшей физики — многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.
Озарение Джона Мичелла
Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.
Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты R кр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца M s: R кр = 3 км x M/M s .
Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет 1808 году, когда большинство физиков уже считало свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них просто не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.
Модель Шварцшильда
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской Академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть его звездой).
Из вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но уменьшает частоту световых колебаний в той же пропорции, в которой замедляет время. Если радиус звезды в 4 раза превосходит гравитационный радиус, то поток времени на ее поверхности замедляется на 15%, а пространство приобретает ощутимую кривизну. При двукратном превышении оно искривляется сильнее, а время замедляет свой бег уже на 41%. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты зануляются, излучение замораживается, и звезда гаснет), однако кривизна пространства там все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.
Несмотря на то что значения гравитационного радиуса у Мичелла и Шварцшильда совпадают, сами модели не имеют ничего общего. У Мичелла пространство и время не изменяются, а свет замедляется. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она только не слишком удаленному наблюдателю. У Шварцшильда же скорость света абсолютна, но структура пространства и времени зависит от тяготения. Провалившаяся под гравитационный радиус звезда исчезает для любого наблюдателя, где бы он ни находился (точнее, ее можно обнаружить по гравитационным эффектам, но отнюдь не по излучению).
От неверия к утверждению
Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.
В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?
В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 M s . Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.
Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).
Там, за горизонтом
Черная дыра — это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, горизонтом событий. Если звезда перед коллапсом не вращалась, эта поверхность оказывается правильной сферой, радиус которой совпадает с радиусом Шварцшильда.
Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, может уйти на бесконечно далекую дистанцию. А вот сигналы, отправленные из внутренней области, не только не пересекут горизонта, но и неизбежно «провалятся» в сингулярность. Горизонт — это пространственная граница между событиями, которые могут стать известны земным (и любым иным) астрономам, и событиями, информация о которых ни при каком раскладе не выйдет наружу.
Как и положено «по Шварцшильду», вдали от горизонта притяжение дыры обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому для удаленного наблюдателя она проявляет себя как обычное тяжелое тело. Кроме массы, дыра наследует момент инерции коллапсировшей звезды и ее электрический заряд. А все остальные характеристики звезды-предшественницы (структура, состав, спектральный класс и т. п.) уходят в небытие.
Отправим к дыре зонд с радиостанцией, подающей сигнал раз в секунду по бортовому времени. Для удаленного наблюдателя по мере приближения зонда к горизонту интервалы времени между сигналами будут увеличиваться — в принципе, неограниченно. Как только корабль пересечет невидимый горизонт, он полностью замолчит для «наддырного» мира. Однако это исчезновение не окажется бесследным, поскольку зонд отдаст дыре свою массу, заряд и вращательный момент.
Чернодырное излучение
Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка—Уилера, приблизительно равной 10 -33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.
Наличие квантовой сингулярности имеет прямое отношение к судьбе материальных тел, падающих вглубь черной дыры. При приближении к центру дыры любой объект, изготовленный из ныне известных материалов, будет раздавлен и разорван приливными силами. Однако даже если будущие инженеры и технологи создадут какие-то сверхпрочные сплавы и композиты с невиданными ныне свойствами, все они все равно обречены на исчезновение: ведь в зоне сингулярности нет ни привычного времени, ни привычного пространства.
Теперь рассмотрим в квантовомеханическую лупу горизонт дыры. Пустое пространство — физический вакуум — на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные «виртуалы» приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.
Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) — внутри. «Внутренняя» частица провалится в дыру, а вот «внешняя» при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе не стабильны.
Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 10 65 x (M/M s) 3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка—Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.
Максимон родился 40 лет назад — как термин и как физическая идея. В 1965 году академик М. А. Марков предположил, что существует верхняя граница массы элементарных частиц. Он предложил считать этим предельным значением величину размерности массы, которую можно скомбинировать из трех фундаментальных физических констант — постоянной Планка h, скорости света C и гравитационной постоянной G (для любителей подробностей: для этого надо перемножить h и C, разделить результат на G и извлечь квадратный корень). Это те самые 22 микрограмма, о которых говорится в статье, эту величину называют планковской массой. Из тех же констант можно сконструировать величину с размерностью длины (выйдет длина Планка—Уилера, 10 -33 см) и с размерностью времени (10 -43 сек).
Марков пошел в своих рассуждениях и дальше. Согласно его гипотезе, испарение черной дыры приводит к образованию «сухого остатка» — максимона. Марков назвал такие структуры элементарными черными дырами. Насколько эта теория отвечает реальности, пока что вопрос открытый. Во всяком случае, аналоги марковских максимонов возрождены в некоторых моделях черных дыр, выполненных на базе теории суперструн.
Глубины космоса
Черные дыры не запрещены законами физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгие доказательства наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока не найдены. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.
Черные дыры могут формироваться и в процессе гравитационного сгущения вещества в галактических ядрах. Так возникают исполинские дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, которые, по всей вероятности, имеются во многих галактиках. Судя по всему, в закрытом пылевыми облаками центре Млечного Пути прячется дыра с массой 3-4 миллиона масс Солнца.
Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры произвольной массы могли рождаться и сразу после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Первичные дыры массой до миллиарда тонн уже испарились, но более тяжелые могут и сейчас скрываться в глубинах космоса и в свой срок устроивать космический фейерверк в виде мощнейших вспышек гамма-излучения. Однако до сих пор такие взрывы ни разу не наблюдались.
Фабрика черных дыр
А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 10 28 электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.
Однако не исключено, что стандартная оценка минимальной массы дыры значительно завышена. Во всяком случае, так утверждают физики, разрабатывающие теорию суперструн, которая включает в себя и квантовую теорию гравитации (правда, далеко не завершенную). Согласно этой теории, пространство имеет не три измерения, а не менее девяти. Мы не замечаем дополнительных измерений, поскольку они закольцованы в столь малых масштабах, что наши приборы их не воспринимают. Однако гравитация вездесуща, она проникает и в скрытые измерения. В трехмерном пространстве сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а в девятимерном — восьмой степени. Поэтому в многомерном мире напряженность гравитационного поля при уменьшении дистанции возрастает намного быстрее, нежели в трехмерном. В этом случае планковская длина многократно увеличивается, а минимальная масса дыры резко падает.
Теория струн предсказывает, что в девятимерном пространстве может родиться черная дыра с массой всего лишь в 10 -20 г. Примерно такова же и расчетная релятивистская масса протонов, разогнанных в церновском суперускорителе. Согласно наиболее оптимистическому сценарию, он сможет ежесекундно производить по одной дыре, которая проживет около 10 -26 секунд. В процессе ее испарения будут рождаться всевозможные элементарные частицы, которые будет несложно зарегистрировать. Исчезновение дыры приведет к выделению энергии, которой не хватит даже для того, чтобы нагреть одним микрограмм воды на тысячную градуса. Поэтому есть надежда, что БАК превратится в фабрику безвредных черных дыр. Если эти модели верны, то такие дыры смогут регистрировать и орбитальные детекторы космических лучей нового поколения.
Все вышеописанное относится к неподвижным черным дырам. Между тем, существуют и вращающиеся дыры, обладающие букетом интереснейших свойств. Результаты теоретического анализа чернодырного излучения привели также к серьезному переосмыслению понятия энтропии, которое также заслуживает отдельного разговора. Об этом — в следующем номере.
