Черные дыры во вселенной

Содержание

Стр.
Введение
1. Когда наука обнаружила черные дыры?
2. Черные дыры: что это и как они возникают?
3. Черные дыры и наша Солнечная система
Заключение
Список литературы

Черные дыры во вселенной

2. Черные дыры: что это и как они возникают?
Чёрная дыра, возможно, наиболее фантастическая из всех концепций, созданных человеческим разумом. Чёрные дыры – это и не тела, и не излучение. Они представляют собой сгустки гравитации. Изучение природы чёрных дыр позволяет существенно расширить наше знание о фундаментальных свойствах пространства и времени. Наиболее замысловатые свойства структуры физического вакуума проявляются в окрестности чёрных дыр, где возникают квантовые процессы. Ещё более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой чёрной дыры (в окрестности сингулярности). Можно сказать, что чёрные дыры открывают путь в новое, очень широкое поле познания физического мира12.
Рис. 1. Изображение черной дыры, полученное космическим телескопом «Хаббл», регистрирующим электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне.
Черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Они возникают также после смерти больших звезд. Возможно, черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества13.
По определению, чёрная дыра – это такая область в пространстве-времени, из которой никакая информация, переносимая сигналом, не может достигнуть внешнего наблюдателя. Такое явление наблюдается, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса13, 14:
, –
где G - постоянная тяготения, c - скорость света, М - масса тела. Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли - около 9 мм.
Общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, важнейшим из которых является горизонта событий – это так называемая граница чёрной дыры. После гравитационного коллапса небесного тела и образования чёрной дыры её внешнее гравитационное поле асимптотически приближается к стандартной равновесной конфигурации, известной как поле Керра-Ньюмена, которое характеризуется только тремя параметрами: массой, угловым моментом и зарядом. Пространственно-временное многообразие в окрестности чёрных дыр сильно искривлено. Если чёрная дыра имеет ненулевой угловой момент, то любой объект в окрестности чёрной дыры будет вовлекаться во вращение вихревым гравитационным полем15.
В 1916 г., через несколько месяцев после опубликованием Эйнштейном своих уравнений гравитационного поля, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел их точное решение. Впоследствии оказалось, что это решение дает точное описание геометрии пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Оно описывает сферически симметричную черную дыру, которая характеризуется только массой. Породившая эту черную дыру гипотетическая умирающая звезда должна быть статичной (не вращаться) и не иметь ни электрического заряда, ни магнитного поля. Вещество такой умирающей звезды падает по радиусу «вниз» к центру звезды, при этом говорят, что черная дыра имеет сферическую симметрию (рис. 2).
Рис. 2. Шварцшильдовская черная дыра. Простейшая идеальная черная дыра (незаряженная и невращающаяся) окружена фотонной сферой. Сферический горизонт событий представляет собою «поверхность» черной дыры, в центре которой находится сингулярность.
Черная дыра, которая возникает в результате коллапса вращающейся звезды, имеет некую направленность, то есть обладает осью вращения (рис. 3).
Рис. 3. Схематическое изображение вращающейся черной дыры в разрезе. Горизонт событий окружен эргосферой, в которой тела, частицы и фотоны непрерывно двигаются, подхваченные вихревым гравитационным полем черной дыры (слева). Луч света, проходящий вблизи вращающейся черной дыры, завихряет свое движение (справа).
Шварцшильдовская черная дыра – это самый простой из всех возможных тип черной дыры, в ней бесконечны давление, плотность и кривизна пространства-времени. Пространство-время с такими характеристиками называется сингулярностью16, 17.
Сфера, описанная гравитационным радиусом, называется сферой Шварцшильда. Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временная координата обращается в нуль (время остановлено), а пространственная – в бесконечность (пространство разорвано). Гравитационный радиус (а, следовательно, и сфера Шварцшильда) определяется одной величиной – массой, то есть телу с определенной массой должен соответствовать конкретный гравитационный радиус. Материя черной дыры находится под сферой Шварцшильда18.
Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что описание физических процессов здесь возможно только с применением релятивистской теории тяготения, согласно которой пространство и время искривляются под действие гравитационного поля массивных тел. Наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр, свойства которых лучше всего изучать в исследованиях движения в области искривления пространства-времени малых тел (материальных точек) и лучей света (рис. 4). Вдали от черной дыры пространственно-временное искривление мало и ее поле тяготения может в точности описываться теорией Ньютона, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг черной дыры по окружности, и теория Ньютона уже не работает.
Рис. 4. Лучи света отклоняются мощным гравитационным полем, окружающим черную дыру. Вдали от дыры лучи искривляются слабо. Если же луч проходит совсем рядом с дырой, она может захватить его на круговую орбиту или засосать в себя совсем.
Мировая линия свет, распространяющегося через область пространства-времени с большей кривизной, становится все более искривленной. Круговую орбиту вокруг черной дыры, по которой движется пойманный ею свет, иногда называю «фотонной сферой» или «фотонной окружностью»; она образована светом, обегающим вокруг черной дыры по всевозможным круговым орбитам. Звезды Вселенной посылают хоть немного света именно на такое расстояние от черной дыры, что этот свет попадает на фотонную сферу19.
Классическая черная дыра является абсолютно поглощающим объектом: она только вбирает в себя вещество и излучение, но ничто не может вырваться из нее. Все то, что проваливается сквозь горизонт событий, засасывается в сингулярность, где оно под действием бесконечно сильно искривленного пространства-времени прекращает свое существование. Образование черных дыр во Вселенной означает локальное изменение топологических свойств пространства-времени19, 20.
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. Плотность черной дыры, имеющей солнечную массу, больше плотности ядерного вещества. Плотность черной дыры, которая имеет массу Галактики, намного меньше плотности воздуха. Внутреннее состояние вещества таких отонов описывается уравнением состояния идеального газа. В общем случае, черные дыры не имеют особых состояний вещества. Главное то, что космическая материя образует пространственно-временную дыру21, 22.
Для типичной черной дыры звездной массы (тяжелее Солнца более, чем в 10 раз) гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность составляет 2*1014 г/см3, то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см3), она равна плотности вещества атомного ядра.
Для черной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3*1015 см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица равна 150 млн. км или 1,5·1013 см – среднее расстояние от Земли до Солнца). Критическая плотность при этом равна 0,2*10–3 г/см3, что в несколько раз меньше плотности воздуха (1,3*10–3 г/см3). Для Земли (M=3·10–6Msun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность очень велика: ρкр = 2·1027 г/см3, что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.
Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. Результат сжатия ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то происходит ее катастрофический коллапс, и ядро уходит под горизонт событий, становясь черной дырой.
Как предсказывает ОТО, звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают массу Солнца в три и более раз, 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, 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 дыру23.
На сегодняшний день астрофизики рассматривают два типа черных дыр23, 24:
1) сверхмассивные чёрные дыры – разросшиеся чёрные дыры, которые образуют ядра большинства галактик, их масса в миллионы раз превышает массу Солнца (рис. 5). В ядре нашей галактики также расположена сверхмассивная черная дыра – Стрелец A*.
Рис. 5. Галактики с газово-пылевыми дискообразными оболочками вокруг ядер и сверхмассивными черными дырами в центре, открытые космическим телескопом «Хаббл»
В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством учёных доказанным астрономическими наблюдениями за характером движения межзвездного газа вблизи центров галактик. Газы, судя по наблюдениям, вращаются на близком удалении от сверхмассивного объекта, и простые расчеты, основанные на законах механики Ньютона, показывают, что объект, притягивающий эти газы имеет очень малый диаметр, но при этом обладает чудовищной массой. Такое вращение межзвездного газа в центре галактики возможно только под влиянием черной дыры.
2) звёздные чёрные дыры, т. е. чёрные дыры со звёздными массами, возникающие в результате коллапса массивных звёзд (рис. 6). При падении вещества на такую чёрную дыру высвобождается гравитационная потенциальная энергия, которая является единственным мощным источником, отвечающим за испускание интенсивных рентгеновских лучей и газовых струй – джетов, – наблюдаемых астрономами в таких системах, как показанный на рисунке двойной рентгеновский источник.
Рис. 6. Черная дыра, возникшая в результате коллапса звезды
в системе двойных звезд
Кроме того, учеными выдвинуты теории о существовании еще двух типов черных дыр25, 26:
а) первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начале существования Вселенной были возможны достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них в результате коллапса могли образовываться чёрные дыры, не имеющие ограничения по массе снизу, которое наблюдается при коллапсе звёзд. Возможно, что масса таких черных дыр могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.
б) квантовые черные дыры, которые могут возникать в результате ядерных реакций (рис. 7). Такие черные дыры устойчивы и имеют микроскопический размер. Их описание возможно с применением квантовой теории гравитации, но существует вероятность, что масса черных дыр является величиной дискретной, а значит существует минимальная масса черной дыры (планковская черная дыра).
Рис. 7. Микроскопическая черная дыра
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 замедляются27.
3. Черные дыры и наша Солнечная система
Существует так называемая проблема скрытой массы Вселенной или, как ее иначе называют, парадокс масс. Чтобы скопления галактик были устойчивыми, их масса должна быть в сотни раз больше той массы, которая определена в наблюдениях. Наблюдаемые формы материи в скоплениях галактик составляют лишь небольшую часть их общей массы, которая находится в скрытой форме. Основная часть масса Метагалактики (90-99 %) сосредоточена не в звездах и галактиках, а в черных дырах. Ранее астрономия исследовала лишь небольшую часть космической материи, а ее основная часть оставалась скрытой от научного познания. Теперь наука исследует «скрытую» массу Вселенной.