ЧЁРНАЯ ДЫРА

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл (J.Michell, 1724–1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783. Так родилась концепция «ньютоновской» черной дыры.
Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчела и Лапласа о черных дырах была забыта.
Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации – общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величину rg часто называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались.
Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд)как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, ее ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.
В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.
В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь черной дырой. Но поскольку такой объект (как говорили тогда, «коллапсар», или «застывшая звезда») не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.
Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в 1967 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.
Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно называть «интервалом времени».
Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория.
Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент ее превращения в черную дыру, то сначала было бы видно, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию и им требуется все больше времени, чтобы дойти до нас. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.
В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них:
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.
2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».
В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса.
3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи черной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса черной дыры, хотя сама она не видна.
Чем ближе мы подходим к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим») относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.
Предел статичности всюду лежит вне горизонта и соприкасается с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с осью вращения черной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения.
4) Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».
5) Кроме этого С.Хоукинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр. В 1974 он доказал, что черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, черная дыра с массой 1012 кг должна вести себя как тело с температурой 1011 К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

ЖУТЬ!!!!!

Да, довольно интересное явление. Черные дыры - это бывшие звезды, которые взорвались. Черные дыры, насколько я знаю, имеют огромную плотность. Одна щепотка их вещества весит много миллионов тонн на Земле. Из-за огромной массы вокруг черных дыр и создается воронка. Просто что-то из области фантастики: какой-то маленький комочек засасывает все подряд... Поглощает свет и звук... Действительно интересно, что же там происходит? Как же огромные космические тела могут так сжиматься в этой крохотной дыре? К счастью, Солнечной системе в ближайший миллион лет это не грозит%)).

Новое исследование, предпринятое астрономами, должно показать, каким образом черные дыры образуют излишки энергии, выбрасываемые ими при поглощении материала. Физики построили компьютерную модель процесса.

Наша работа посвящена турбулентности магнитных полей, движений и взаимодействий микрочастиц в раскаленном газе на границе черной дыры, одного из самых потрясающих явлений Вселенной», - рассказал Джереми Шнитман, астрофизик из Центра полетов Годдарда НАСА. Ученые из НАСА, Университета Джона Хопкинса и Института Рочестера построили сложнейшую модель взаимодействий в черной дыре на основании исследований в рентгеновском диапазоне.

Газ притягивается к дыре гравитацией, и формирует вокруг нее вращающийся диск, более похожий на воронку. За счет гравитационных и электромагнитных взаимодействий он разогревается до совершенно немыслимых температур – около 12 миллионов градусов Цельсия, становясь в 2 тысячи раз горячее Солнца.

Черные дыры производят жесткое рентгеновское излучение при поглощении газа, который отчаянно светится. На границе воронки газ разогревается уже до миллиардов градусов, перед тем как исчезнуть за горизонтом событий, за которым происходит что-то неведомое.
Модель, построенная Шнитманом и его коллегами Юлианом Кроликом и Скоттом Ноблем, показала, что газ не только разогревается и чудовищно уплотняется, в нем бушуют мощнейшие магнитные поля, причем, что особенно удивительно, их свойства напоминают магнитное поле солнечной короны – процессы, происходящие вокруг черной дыры, оказались аналогичны солнечным коронарным процессам, хотя, конечно, во много раз мощнее. Исследования в очередной раз подтвердили правильность Стандартной модели Вселенной – универсальность процессов свидетельствует о том, что закономерности верны.

Астрономы изучают внимательно одни из самых загадочных объектов Вселенной – черные дыры. Прожорливые космические монстры, как оказалось, не поглощают все подряд, а наоборот, иногда становятся чрезвычайно привередливыми.
По идее, их гравитационное поле столь мощно, что должно поглощать все, что попадает в зону притяжения - звезды, планеты, межзвездный газ и космическую пыль. Они образуют мощнейшие источники энергии во Вселенной – активные ядра галактик, куда стекается в виде воронки космическое вещество, космическая пыль разогревается до температуры от 700 до 100 градусов по Цельсию.
Наблюдения с помощью телескопа Европейского космического агентства Very Large Telescope за ядром соседней галактики NGC 3783 неожиданно дали астрономам пищу для размышлений – оказалось, что массивная черная дыра в центре этой галактики гурман, да еще весьма привередливый: она не поедает все подряд, а перебирает разные виды пыли. От пылевого кольца черной дыры происходит отток пыли в полярные области, в которых остатки вещества охлаждаются и уносятся будто бы неким загадочным ветром. Исследователи предположили, что пыль сдувается мощным излучением дыры.
Пока не ясно, каков механизм притяжения и отталкивания дыры – наблюдения с помощью телескопа в Чили, состоящего из четырех одновременно смотрящих в одну точку огромных восьмиметровых и еще четырех почти двухметровых телескопов, продолжаются.

В нашей родной галактике Млечный путь астрономы обнаружили необычную черную дыру. Она играет роль планеты небольшой звезды, вращаясь вокруг нее. До сего момента подобное сочетание астрономам известно не было.
У небольшой голубой звезды MWC 656 астрономы обнаружили странного товарища – черную дыру звездной массы, в масштабах черных дыр она просто крошка. Эта дыра не испускает рентген-излучения, поэтому до сих пор не была найдена. «Важно отметить, что в нашей галактике известна только еще одна черная дыра с массивным звездным компаньоном - яркий источник рентген-лучей Cyg X-1», - написал автор исследования Хорхе Казарес из Астрофизического института Канарских островов в Санта-Круз-де-Тенерифе в журнале Nature.
Голубые звезды типа MWC 656 часто имеют компаньонов, это, как правило, останки сверхновых, умерших звезд, сверхплотные нейтронные звезды. А вот черная дыра – нечто совсем необычное.
Звезда MWC 656 находится на расстоянии около 8500 световых лет от Земли, ее масса составляет от 10 до 16 масс Солнца, и она с бешеной скоростью вращается вокруг своей оси: скорость вращения составляет 1,08 млн километров в час. Столь мощное вращение выбрасывает огромное количество материи с ее экватора, и создает диск вокруг звезды.
Изучая спектр излучения диска, ученые и обнаружили черную дыру, поглощающую выброшенную звездой материю – черная дыра поедает остатки с барского стола. При этом наблюдается некая странность – обычно, поглощая материю, черные дыры испускают рентгеновское излучение, но данная черная дыра ведет себя крайне тихо и скрытно. Астрономы предположили, что причина в слишком быстром вращении звезды-донора.
Открытие позволит пересмотреть некоторые гипотезы образования и эволюции систем черных дыр, и возможно, найти новые удивительные звездные пары.

В физике черных дыр есть две составляющие: экспериментальная и теоретическая. Коснемся в первую очередь теоретической составляющей. Как исторически возник вопрос о черных дырах? Если бросить камень с высоты параллельно поверхности Земли, то он полетит по параболе. При увеличении начальной скорости камня парабола будет удлиняться. Наконец, при некоторой, достаточно большой начальной скорости камень просто начнет летать вокруг Земли. Другими словами, он будет свободно падать, но при этом собственно падения происходить не будет. Точнее, если камень находится в атмосфере, то он будет тереться о воздух и, теряя скорость, вскоре упадет. Но если бросить его достаточно высоко за пределами атмосферы, то там трение о воздух отсутствует, и вращение будет вечным.
Скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он летал вокруг Земли, называется «первая космическая». Именно с такой скоростью летают спутники вокруг Земли. Вторая космическая скорость – это такая скорость, с которой камень улетит с Земли на бесконечность.

Первая и вторая космическая скорости зависят от размеров того тела, с которого нужно улететь, и от его массы. Лаплас задался таким вопросом: каковы должны быть размеры тела при данной массе, чтобы вторая космическая скорость была равна скорости света. Существует формула, связывающая радиус этого тела и массу, при которой вторая космическая скорость превышает скорость света.
Оказывается, например, что если сохранить неизменной массу Земли и сжать ее до нескольких миллиметров, то вот как раз вторая космическая скорость достигнет скорости света. То есть если какая-то сила сожмет Землю до этих размеров, то она станет таким объектом, с поверхности которого даже свет вылететь не может. Именно так впервые возник вопрос о черных дырах еще во времена, когда люди не знали ничего про общую теорию относительности.

Черных дыр не существует. К такому выводу пришла американская исследовательница, рассчитав взрывы массивных звезд. Открытие смутило автора и уже наделало шуму в прессе.
— Видишь черную дыру?
— Нет.
— А ее и нет.
Примерно такой диалог мог бы состояться между каким-нибудь астрономом и профессором физики Лаурой Марсини-Хоутон из Университета Северной Каролины, которая выступила с сенсационным заявлением. Женщина математически доказала, что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.
Загвоздка в том, что доказать обратное на данный момент никому не под силу.
Черные дыры — термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком Джоном Уилером, — сверхмассивные релятивистские объекты, существование которых лежит в основе множества астрофизических теорий, описывающих эволюцию галактик, звезд, квазаров. И хотя сегодня их существование у большинства астрономов не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.
Поскольку эти объекты ни излучают свой, ни отражают чужой свет, определять их наличие можно только косвенными методами. Так, ученых убеждает в их существовании быстрое вращение звезд рядом с центрами галактик и отклонение лучей света (линзирование), которое наблюдается в окрестностях этих сильно гравитирующих объектов.
Астрономам известны черные дыры двух типов — звездных масс и сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца.
Ведутся споры о существовании черных дыр промежуточных масс. Считается, что первый тип образуется при коллапсе массивных звезд, когда звезда, раздувшись, сбрасывает внешние слои и коллапсирует внутрь себя под действием собственной гравитации. Происхождение же сверхмассивных черных дыр вызывает у астрономов споры: то ли они формировались одновременно со Вселенной в сгустках темной материи, то ли при коллапсе больших газовых облаков.
То же самое произойдет, если Землю сжать до размеров грецкого ореха: ее плотность возрастет настолько,
что ни одно тело не сможет оторваться от ее поверхности, даже двигаясь со скоростью света.
Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий — воображаемой поверхности, попав за которую ни тело, ни информация уже не могут попасть обратно. Прелесть черных дыр в том, что они противопоставляют друг другу две фундаментальные физические теории — эйнштейновскую теорию гравитации, из которой вытекает возможность их существования, и квантовую теорию, которая постулирует, что никакая информация во Вселенной не может никуда исчезнуть.
В 1974 году известный британский ученый Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры должны испаряться. Квантовая теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются пары частица — античастица. При этом рождение таких пар у горизонта событий допускает возможность, что одна частица упадет на черную дыру, а другая — нет. Так, улетевшие частицы могут уносить массу дыр за счет так называемого излучения Хокинга.
Примечательно, что свою теорию Хокинг выдвинул вскоре после того, как в 1973 году встречался в Москве с советскими физиками Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.
Они убедили Хокинга в том, что вращающаяся черная дыра может испускать электромагнитные волны и частицы.
Марсини-Хоутон математически описала процесс коллапса массивных звезд и пришла к парадоксу. Ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает излучение Хоккинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу.
Причем настолько стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.
«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», — сказала исследовательница.
Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено.
Свое мнение на эту тему ранее высказал академик РАН Анатолий Черепащук.
«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр. Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Для звездных черных дыр — 23 штуки (сейчас их уже несколько десятков), — для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи», — сказал ученый.

Прямое решение задачи определения температуры внутри черной дыры невозможно из-за неопределенности самого понятия температуры за горизонтом событий.