Черные дыры и их роль в рождении галактик

Для звезд с массой М > 2,5 М_с гравитационный коллапс не могут остановить никакие из известных сил, и образуется черная дыра (термин предложен Дж. Уиллером). Вся масса звезды будет стянута в объект с размерами порядка его гравитационного радиуса, величина которого находится из равенства полной энергии частицы вещества или излучения потенциальной энергии сё взаимодействия с черной дырой массы М.

В рамках классической механики.

Отсюда получим для гравитационного радиуса, с учетом замены скорости частицы на максимальную скорость света (в точной теории коэффициента 2 нет):

В ходе образования черной дыры гравитационное поле может быть сильно переменным, так что в это время происходит мощное излучение гравитационных волн (см. п. 4.4). Однако очень быстро (за время порядка R/c) нестационарные процессы затухают, а гравитационные волны уносятся частично в возникающую черную дыру, частично во Вселенную.

После этого вокруг такого необычного объекта остается только симметричное стационарное поле тяготения. Если образование черной дыры произошло в двойной звездной системе, вещество звездыкомпаньона будет по спирали стекать в «воронку» черной дыры.

При падении на черную дыру потоков вещества соседней звезды, вокруг нее образуется газопылевой диск аккреции, из области которого извергаются релятивистские потоки намагниченной плазмы, названные джетами. Кроме того эта область становится источником электромагнитного излучения с весьма широким спектром: от жесткого гаммаизлучения до радиоволнового (рис. 85).

Рис. 85. Черная дыра в двойной системе

По этим признакам можно опознать черные дыры. К настоящему времени установлено присутствие во Вселенной черных дыр, отличающихся по величине их массы. На одном краю распределения масс находятся черные дыры с массами не слишком отличающимися от типовых масс звезд. На противоположном краю находятся свсрхмассивныс черные дыры, обнаруженные в центрах многих галактик.

Предварительный анализ показывает, что чем больше масса галактики, тем больше и масса черной дыры в ее центре. Этому факту можно дать различные интерпретации. Первая из них лежит в русле обычных представлений о процессах звездообразования. Считают, что сначала могли быть образованы черные дыры обычных типовых масс, а затем всемирное тяготение вызвало их движение к центру галактик и слияние с образованием более массивного объекта.

Другая интерпретация появилась сравнительно недавно и совсем по-другому оценивает роль черных дыр в космогонической концепции. Здесь предполагают, что первое поколение звезд во Вселенной было необычайно массивным и быстро проходило эволюционный трек с образованием гигантских черных дыр. Они собирались силами гравитации в еще более массивные объекты, поле тяготения которых притягивало в область свсрхмассивных черных дыр рассеянное во вселенной вещество. Таким образом, они становились центрами галактикообразования, т. е. играли активную роль в рождении галактик.

Долгое время черные дыры считали тупиками в эволюции звезд, куда безвозвратно «пропадает» вещество и излучения. Квантовомеханический анализ проблемы был недавно проведен выдающимся физиком современности Стивеном Хокингом (будучи инвалидом, передвигающимся в особом кресле и говорящим с помощью синтезатора речи, он является профессором кафедры, которую когда-то возглавлял Ньютон).

Им теоретически была открыта возможность квантового испарения черных дыр. Не вдаваясь во все детали расчетов, можно пояснить идею Хокинга с помощью рис. 86, на котором окружность изображает положение гравитационного радиуса черной дыры.

По разные стороны от воображаемой границы (физически никаких особенностей пространство на ней не имеет) образована в результате флуктуаций энергии физического вакуума пара «частица — античастица». Из определения Рис. 86. Схема рождения пары гравитационного радиуса следует, что у «частица-античастица» рожденных «близнецов» будет различ- вблизи границы черной дыры ная судьба. Один из них пленён полем тяготения черной дыры и должен в неё упасть. Зато другой, рожденный хотя бы чуть-чуть дальше границы, имеет шанс покинуть область черной дыры.

Закон сохранения энергии выполняется: энергия поля черной дыры обеспечивает поляризацию физического вакуума, энергия последнего переходит в 2 тс² пары и их кинетическую энергию. За счет последней одна из частиц пары и уходит от места рождения. Само существование границы разводит компоненты пары.

Теория показывает, что в принципе возможен поток частиц (равно как и античастиц) от черной дыры. Термин «испарение» подчеркивает флуктуационный характер процесса и его постепенность. Хокинг считает, что черная дыра, как излучатель, эквивалентна абсолютно черному телу с температурой

где R, — гравитационный радиус; ft — постоянная Дирака, равная ft / 2п; с — скорость света; к — постоянная Больцмана.

Обратим внимание на одну особенность формулы (59). Температура черной дыры обратно пропорциональна величине гравитационного радиуса. В свою очередь, он прямо пропорционален массе Черной дыры. Вывод: чем меньше масса Черной дыры, тем выше её эффективная температура. Это значит, что Черные дыры не являются «застывшими» объектами, они могут не только поглощать, но и излучать, теряя массу. Чем меньше будет масса, тем мощнее её тепловое излучение. При М &

g.

М_с температура Г, * 10″ К. Но мини-дыра с массой, примерно равной Эвересту, будет иметь температуру порядка 10″ К! Можно полагать, что мини-дыры завершают свою эволюцию с бурным выделением энергии, близким к взрывному. Таким образом, энергия-масса Черных дыр снова возвращается и рассеивается во Вселенной.