Черные дыры Вселенной

Введение
Глава 1. Черные дыры
1.1. Невидимые миру звезды
1.2. Новые открытия
Глава 2. Гипотезы и доказательства
2.1. Гипотезы ученых
2.2. Новый рекорд для чёрных дыр
Заключение
Литература

Черные дыры Вселенной

Это было блестящим предвидением одного из свойств чорной дыры — не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным ученым и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа.
Сейчас между французами и англичанами идет иногда полушутливая, а иногда серьезная полемика: кого следует считать первооткрывателем возможности существования невидимых звезд — француза П. Лапласа или англичанина Дж. Мичелла? В 1973 году известные английские физики-теоретики С. Хоукинг и Г. Эллис в книге, посвященной современным специальным математическим вопросам структуры пространства и времени, приводили работу фрнцуза П. Лапласа с доказательством возможности существования черных звезд; тогда о работе Дж. Мичелла еще не было известно. Осенью 1984 года известный английский астрофизик М Рисе, выступая на конференции в Тулузе, сказал, что хотя это не очень удобно говорить на территории Франции, но он должен подчеркнуть, что первым предсказал невидимые звезды англичанин Дж. Мичелл, и продемонстрировал снимок первой страницы соответствующей его работы. Это историческое замечание было встречено и аплодисментами и улыбками присутствующих.
Как тут не вспомнить дискуссии между французами и англичанами о том, кто предсказал положение планеты Нептун по возмущениям в движении Урана: француз У. Леверье или англичанин Дж. Адаме? Как известно, оба ученых независимо правильно указали положение новой планеты. Тогда больше повезло французу У. Леверье. Такова участь многих открытий. Часто их делают почти одновременно и независимо разные люди Обычно приоритет признается за тем, кто глубже проник в суть проблемы, но иногда это просто капризы фортуны.
Но предвидение П. Лапласа и Дж. Мичьлла еще не было настоящим предсказанием черной дыры. Почему?
Дело в том, что во времена П Лапласа еще не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для П. Лапласа
рассматриваемая им звевда была только черной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо “общаться” с внешним миром, что-либо “сообщать” далеким мирам о происходящих на ней событиях. Инычи словами, он еще не знал, что это не только “черная”, но и “дыра”, в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространетва не может выйти свет, то, значит, и вообще ничто не может выйти, и такой объект мы называем черной дырой.
Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гарвитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона6.
А. Эйнштейн показал” что для таких полей теория тя-> готения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсилых, а также для быстроменяющихся полей (для которых ньютоновская теория также неприменима!), и. назвал ее общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользам ваться для доказательства возможности существования черных дыр и для изучения их свойств.
Общая теория относительности — это изумительная теория. Она настолько глубока и стройна, что вызывает чувство эстетического наслаждения у всякого, кто знакомится с ней. Советские физики Л. Ландау и Е. Лифшиц в своем учебнике “Теория поля” назвали ее “самой красивой из всех существующих физических теорий”. Немецкий физик Макс Борн сказал об открытии теории относительности: “Я восхищаюсь им как творением искусства”. А советский физик В. Гинзбург писал, что она вызывает “...чувство... родственное тому, которое испытывают, глядя на самые выдающиеся шедевры живописи, скульптуры или архитектуры”.
Многочисленные попытки популярного изложения теории Эйнштейна, конечно, могут дать общее впечатление о ней.
Однако, японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс7.
Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.
М106 - не единственная галактика, где подозревается черная дыра. В Туманности Андромеды, скорее всего, тоже есть и примерно такая же по массе - 37 миллионов Солнц. Предполагается, что и в галактике М87 - чрезвычайно интенсивном источнике радиоизлучения - обнаружена черная дыра, в которой сосредоточено 2 миллиарда масс Солнца!8
1.2. Новые открытия
Совсем недавно удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. "До сих пор мы умели узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс", - с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.
Черную дыру окружает некая граница, и вся материя, находящаяся внутри нее, непременно будет поглощена дырой. Размеры границы зависят, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эту скорость можно посчитать, если знать, с какой скоростью движется материя у границы.
Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие - вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью.
"9Исследуя вращение черной дыры, - пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, - можно узнать, сколько материи она успела поглотить за свою жизнь и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи". Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, обнаруженные в нашей Галактике, посылают в свои окрестности струи высокоэнергичных частиц. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра. Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.
Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси.
Такое движение нам хорошо знакомо: полярная ось Земли тоже вращается и описывает своим (воображаемым) концом на небе круг за 25800 лет. У черных дыр прецессия происходит много интенсивнее: ось газо-пылевого диска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз в секунду, ось диска, окружающего вторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300 оборотов в секунду. Это говорит о том, что пространство около черных дыр само вовлечено во вращение, примерно так, как вода в ванне закручивается перед выпускным отверстием.
Возможность существования подобного феномена предвидели еще в 1918 году австрийские физики Иосиф Лензен и Ганс Тюрринг. Они пришли к такому выводу на основе Общей теории относительности А. Эйнштейна. И вот только теперь, в конце прошлого года, впервые доказано, что такой эффект действительно существует10.
Нынешний успех астрономии доказывает, что черные дыры - не просто экзотические объекты Вселенной, окрыляющие нашу фантазию, они заставляют задуматься над тем, что многие причудливые особенности природы еще не познаны. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его старт планируется на 2000 год.
Глава 2. Гипотезы и доказательства
2.1. Гипотезы ученых
Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!)
Астрономы теперь точно знают, что под влиянием "линзы тяготения", которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством "линз тяготения". Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо.
Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее "капсулы". Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом11.
Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии?
По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за "горизонт событий" и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок...
Общая теория относительности говорит, что понятия "вовне" и "внутри" не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания "налево" или "направо", "верх" или "низ". Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками.
Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние.
Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.
По одной из гипотез черная дыра есть почти в каждой галактике, в том числе и в нашей, где-то в центре Млечного Пути. Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса «высасывает» вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу. Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале 70-х годов12. Она находится в созвездии Лебедя (обозначена индексом Cygnus XI) и испускает рентгеновские лучи. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCX3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке. Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о «темных звездах». В 1783 году он писал: «Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела». Гипотезы и парадоксы Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!) Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «линзы тяготения», которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и в виде «капсулы». Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом13. Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии? По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тон­нелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за «горизонт событий» и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок...
Общая теория относительности говорит, что понятия «вовне» и «внутри» не имеют объективного смысла, они относительны также, как указания «налево» или «направо», «вверх» или «вниз»14. Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смешаны в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами. Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе. Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд15.
К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми. Каков же механизм их возникновения. Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть "материализацию16" звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием: во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел. В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд.
Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию.
Учёные полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остаётся один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия (коллапса), превращающего её в невидимую чёрную дыру. В 1939г17. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварцшильда, которой первым указал на его существование). Если звезда достигает этого радиуса, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звёзд, - галактики - этот радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км. Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают обнаружить эти объекты? Многие учёные раздумывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких объектов.