Черная дыра — следствие гравитационного коллапса

Детальные наблюдения показали, что SS 433 — тесная затменная двойная система, период обращения которой равен 13,1 суток. Одним из ее компонентов является массивная звезда с температурой около 30 тыс. кельвинов и светимостью, примерно в миллион раз превышающей светимость Солнца. Главная звезда столь велика, что не может сохранить свою целостность в поле тяготения очень компактной второй звезды: ее вещество непрерывно перетекает на соседку. О том, что это компактная звезда, говорит отсутствие у нее спектральных линий. Зато вокруг нее формируется аккреционный диск из перетекающего вещества. Открытие рентгеновского излучения SS 433 окончательно подтвердило предположение о наличии компактного тела — нейтронной звезды или черной дыры, — ведь только при аккреции на них испускается рентгеновское излучение.

По имеющимся данным можно составить «портрет» SS 433 (рисунок 3). Система включает гигантскую звезду высокой температуры и светимости и ее спутник — компактную звезду. С оптической звезды на компактную постоянно перетекает вещество, формирующее аккреционный диск. Он-то и затмевает раз в 13 суток главную звезду. В перпендикулярном направлении к диску идут две мощных струи (джета), ось которых движется по конусу прецессии с периодом 163 суток. Вся система погружена в облако плазмы. В струях освобождаются электроны колоссальной энергии, которые ионизуют атомы железа, выбивая из них 2425 электронов (т.е., в атоме железа вместо 26 электронов остаются всего один или два). SS 433 — это уникальное явление в нашей галактике.

6.

2. Гравитационная линза

Пусть в точке S расположена звезда, излучение которой фиксирует наблюдатель О, находящийся на Земле (рисунок 4). Между звездой и Землей есть сверхмассивная черная дыра. Тогда излучение от звезды будет приходить на Землю с некоторым запаздыванием. Причем, чем ближе от черной дыры проходит сигнал, тем больше будет величина этого запаздывания. В результате черная дыра будет работать как гравитационная линза. В случае геометрии системы, изображенной на рисунке 4, черная дыра будет выглядеть буквально как черная дыра в изображении источника, ограниченная несимметричным светящимся ореолом, образованным отклонившимися фотонами. В результате асимметрии рассеяния должно возникать относительное запаздывание во времени распространения фотонов, образующих границу дыры в картинной плоскости источника излучения. При изменении яркости источника излучения изменение яркости картины будет неравномерным.

Рисунок 4. — Черная дыра как гравитационная линза

6.

3. Гипотетический способ: фиксирование гравитационных волн

Возможно, в недалеком будущем обнаружение черных дыр будет связано с новым направлением звездной науки — гравитационно-волновой астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем, содержащих черные дыры. Скорее всего первые обнаруженные таким методом объекты окажутся двойными черными дырами, сливающимися друг с другом из-за потерь энергии орбитального движения на гравитационное излучение.

7. Научные проблемы, связанные с существованием черных дыр

С существованием черных дыр связано множество научных проблем, которые еще предстоит решить исследователям. Укажем лишь некоторые из них.

7.

1. Сингулярности

Синонимом понятия «сингулярность» является слово «особенность». Можно привести такие примеры простейших сингулярностей из математики:

при ,

при .

Хорошо известно, что на ноль делить нельзя и логарифма нуля не существует. Если мы все же разделим на ноль, то получим в ответе бесконечность. Появление бесконечности в решении является первым сигналом того, что мы вышли за рамки, ограничивающие применение понятия (в данном случае, нарушили правила деления). Но на множестве всех остальных чисел деление является допустимой операцией.

Аналогичная картина наблюдается в физике. Появление сингулярности (или просто бессмысленного решения) в каком-либо следствии из общепринятой теории является сигналом, что исследователь вышел за область применения этой теории. Например, если находиться в рамках классической электродинамики, то окажется, что электрон при вращении вокруг атома должен беспрерывно излучать электромагнитные волны (любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, испускает электромагнитные колебания). Из-за постоянной потери энергии в виде излучения электрон должен в конечном итоге упасть на ядро. Можно оценить время жизни системы «ядро-электрон», исходя из формул классической электродинамики. Оно оказывается равным смехотворно малой величине: 10−8 сек.

Мы хорошо знаем, что атомы — это очень устойчивые образования, и они живут гораздо дольше. Парадокс связан с тем, что в микромире нельзя применять законы классической электродинамики. Там работает совсем другая теория — квантовая механика. А классическая электродинамика является всего лишь частным случаем квантовой механики, реализующимся при переходе к макроскопическим объектам.

При изучении черных дыр обнаруживаем несколько подобных парадоксов. Это, например, бесконечно большая плотность черной дыры. В 1971 году Уилер обратил внимание на то, что в черной дыре нарушается второе начало термодинамики. В самом деле, если бросать в черную дыру горячие тела, то тем самым можно последовательно уменьшать полную энтропию всей Вселенной. Между тем одна из формулировок второго начала термодинамики говорит нам о том, что общая энтропия замкнутой системы возрастает при стремлении системы к равновесию. Всю Вселенную можно рассматривать замкнутой системой. Ее общая энтропия не может убывать. Одно из возможных решений этого парадокса заключается в том, чтобы предположить, что черная дыра обладает некоторой конечной энтропией, пропорциональной площади ее поверхности.

Появление бесконечных решений и возникновение противоречий с известными законами природы при описании черных дыр красноречиво свидетельствует о том, что общую теорию относительности некорректно применять к черным дырам. Должно быть, должна существовать более общая теория, которая позволит объединить общую теорию относительности с квантовой механикой.

7.

2. Скрытая масса

Понятие скрытой массы впервые ввел в 30х годах XX века швейцарский астроном Фриц Цвикки. Дело в том, что существующие во Вселенной скопления вещества ученые обнаруживают главным образом по их излучению. Однако не от всех космических объектов можно принять излучение, например, черные дыры ничего не излучают. Это означает, что при оценке средней плотности вещества во Вселенной мы рискуем сильно ошибиться, если будем учитывать только уже обнаруженные объекты. Вопрос о том, столько «весит» галактика, немаловажен при изучении, например, скорости расширения Вселенной. Одной из составляющих «скрытой массы» как раз и являются черные дыры.

7.

3. Сейфертовские галактики

Еще одной научной загадкой являются сейфертовские галактики (другое их название — галактики с активными ядрами). Во всех галактиках, кроме самых небольших, выделяется яркая центральная часть, называемая ядром. В нормальных галактиках, таких. как наша, большая яркость ядра объясняется высокой концентрацией звезд. Но все же суммарное количество звезд ядра составляет лишь несколько процентов от их общего числа в галактике.

Встречаются галактики, у которых ядра особенно яркие. Причем в этих ядрах помимо звезд наблюдается яркий звездоподобный источник в центре и светящийся газ, движущийся с огромными скоростями — тысячи километров в секунду. Именно такие гигантские спиральные звездные системы называются сейфертовские галактики (рисунок 5). Сейчас известны тысячи подобных объектов. Активные ядра галактик характеризуются очень большой светимостью во всем диапазоне электромагнитного спектра. Причем, огромная энергия выделяется с области диаметром около 1 парсека — меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды! Никто не знает, что служит источником такой светимости. По одной из версий, таким источником является черная дыра.

Рисунок 5 — Центральная часть активной галактики Дева, А с джетом (джет — это газовые струи) Предполагается наличие черной дыры массой в десятки или сотни миллионов масс Солнца в центре галактики. В результате падения вещества на черную дыру выделяется огромное количество энергии. При падении в гравитационном поле черной дыры вещество разгоняется до скоростей, близких к скорости света. Затем при столкновении газовых масс вблизи черной дыры энергия движения преобразуется в излучение электромагнитных волн. Спектральные наблюдения на Хаббловском космическом телескопе и крупных наземных телескопах подтвердили наличие больших масс несветящегося вещества в ядрах целого ряда галактик. Это хорошо согласуется с предположением, что причиной активности ядер являются массивные черные дыры.

7. Выводы

Таким образом, черные дыры являются весьма экзотическими космическими объектами. Источниками черных дыр являются массивные звезды, которые израсходовали все свое термоядерное горючее и остыли. Из-за недостатка энергии эти звезды уже не могут противостоять силам гравитационного сжатия, и происходит гравитационный коллапс. В результате этого процесса в виде взрыва выделяется огромное количество вещества звезды (это называется вспышкой сверхновой), а оставшаяся часть схлопывается в некий объект очень большой плотности. Гравитационное поле вокруг этого объекта становится настолько сильным, что даже фотоны, попавшие в область действия этого поля, не в состоянии вылететь наружу. А это значит, что всем другим частицам во Вселенной это тем более не под силу. Значит, черная дыра ничего не излучает, и о том, что она существует, мы можем судить только по тому, какое гравитационное влияние она оказывает на другие объекты (прежде всего, на другие звезды).

Появление различных противоречий с известными законами природы в области черной дыры (например, бесконечно большая плотность или невыполнение второго начала термодинамики) свидетельствуют о том, что попытка описать черные дыры с позиций общей теории относительности некорректна. Для этого требуется друга, более общая, теория. Высказываются предположения о возможности фундаментальной связи физики черных дыр с физикой элементарных частиц. Теория великого объединения, над которой сейчас трудятся лучшие физики планеты, призвана объединить четыре типа фундаментальных взаимодействий (сильного и слабого ядерных, электромагнитного и гравитационного). Возможно, обобщение квантовой теории и общей теории относительности поможет описать возникновение и свойства черных дыр.

8.

Литература

и источники

Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. — СПб.: «Амфора». — 2007. — 180 с.

Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Физика компактных объектов. — М.: «Мир». — 1985. — В двух частях.

Физическая энциклопедия. Том 5 // Под ред. Прохорова А. М. — М.: научное издательство «Большая российская энциклопедия». — 1998. — 691 с.

Аксенова М., Володин В., Элиович А. Энциклопедия серии Аванта. Астрономия. Том 8. — М.: «Аванта+». — 2003. — 688 с.

Бранский В. П. Философия физики XX века. Итоги и перспективы. — СПб: «Политехника». — 2003.

Новиков И. Д. Энергетика черных дыр //Знание. Новое в жизни, науке, технике. — 1986. — Серия «Физика». № 3. — 68 с.

Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — Изд-во «УРСС». — 2004. — 290 с.