Образование черных дыр

Виды черных дыр

Черные дыры во Вселенной

Черная дыра — космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черная дыра — область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

Образование черных дыр

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них — это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.  Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры — это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя — Лебедь Х-1.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей 3. 3. 3. Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 4,31х106 М, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.

4. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

Эволюция черных дыр

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые — это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые — сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Но продолжает оставаться загадкой, как образуются и существуют черные дыры средней массы? Речь идет о так называемых черных дырах с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца.

Доказательства происхождения этих объектов остается спорным. До сих пор не было обнаружено более чем одной такой черной дыры в одной галактике. Но группа исследователей нашла в результате изучения рентгеновских данных две средние по массе черные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли.

По особенностям излучения, испускаемого черными дырами в M82, исследователи заключили, что масса одной из черных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч солнечных масс, а масса второй — от 200 до 800 масс Солнца. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект, расположен на расстоянии 600 световых лет в проекции от центра галактики.

"Впервые были обнаружены две средние по массе черные дыры в одной галактике, — поделился один из исследователей Хуа Фэн из Университета Цинхуа, Китай. — Их расположение вблизи центра галактики может содержать сведения о происхождении крупнейших черных дыр во Вселенной, таких как сверхмассивные черные дыры, которые найдены в центрах большинства галактик".

Одним из возможных механизмов для формирования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновения звезд и компактных звездных скоплений, что приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в черные дыры промежуточной массы. Далее промежуточные черные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

"Мы не можем сказать точно, является ли подобный процесс формирования черных дыр в M82 подтверждением этой теории, но мы точно знаем, что обе эти средние черные дыры расположены вблизи звездных скоплений, — сказал Фил Карет из Университета штата Айова, один из авторов статьи. — Кроме того, M82 является ближайшей к нам галактикой, где условия аналогичны тем, которые были в ранней Вселенной, с наличием большого количества звезд".

До сих пор астрономы точно не знали, могут ли присутствовать в одной галактике сразу две черные дыры средней массы. Возможно, открытие прольет свет на процессы образования и эволюции сверхмассивных черных дыр в галактиках.

Разновидности черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс. Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, изгелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара.

Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера — Волкова.

Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2—3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров.

Впоследствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•1015 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10-3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.



Черные дыры бывают разных видов. Физики различают их по массам. Самые гигантские они называют супермассивными. Это такие черные дыры, масса которых составляет миллионы и даже миллиарды масс нашего Солнца. Самые небольшие — это звездоподобные с массой от полутора до тридцати наших Солнц. Есть еще и мини- или микродыры, но о них разговор особый. Сейчас нас интересуют дыры промежуточные. По теории, они тоже должны существовать, но их долгое время никому не удавалось обнаружить. Гигантские черные дыры находили одну за другой, звездоподобные тоже, а с промежуточными никак не получалось. И это, ясное дело, волновало всех. Но вот совсем недавно эта странность получила наконец правдоподобное объяснение, и мы сочли необходимым об этом рассказать.

Обнаружить черные дыры можно по косвенным признакам. Например, супермассивные черные дыры притягивают к себе межзвездный газ и даже целые звезды, которые крошатся под действием их тяготения. Такие дыры окружены облаком бешено вращающегося вещества, которое по спирали падает на них, испуская при этом энергию в окружающее пространство. Вот по этому излучению, по его специфическим характеристикам, ученые и опознают, что в центре этого облака должна быть гигантская черная дыра. Не всякое тело способно так свернуть пространство. Дело тут не в массе. Солнце, например, массивно, но на такое не способно. Нужно, чтобы достаточная масса была сосредоточена в достаточно малом объеме. Тогда она сможет создать снаружи себя такое огромное тяготение, что вырваться из ее гравитационного поля сумеют лишь тела, находящиеся на достаточном расстоянии от нее. Это предельное расстояние, эту сферу, изнутри которой ничто уже не может вырваться, называют "горизонтом" дыры. У Солнца тоже есть "горизонт", только он находится внутри нашего светила. Будь масса Солнца сосредоточена внутри этого горизонта, оно бы тоже стало черной дырой, и плохо бы нам тогда было. Но Солнце, слава Природе, не такое плотное.

Возвращаясь к классификации, — как образуются разные виды черных дыр? Это важно уразуметь, иначе мы не поймем то открытие, о котором говорили выше. По мнению астрономов, звездоподобные черные дыры образуются в результате коллапса очень массивных звезд. Внутри звезды происходит процесс выгорания водорода, а затем гелия (эта термоядерная реакция и заставляет их светиться), и наступает момент, когда тяжесть наружных слоев звезды не может быть уравновешена давлением изнутри, и звезда коллапсирует, то есть ее масса сжимается в очень малый объем. А это как раз и значит, что она превращается в черную дыру. Конечно, во время такой катастрофы значительная часть массы звезды выбрасывается наружу, мы видим это как взрыв, как появление новой и очень яркой звезды (как говорят, "сверхновой"), и потому, например, черная дыра массой в 5 Солнц может образоваться из звезды, которая до коллапса имела массу 20 Солнц, — остальные 15 рассеиваются при взрыве.

Если звезда не выбросит достаточно массы и не сожмется в довольно малый объем, из нее после коллапса может получиться не черная дыра, а так называемая нейтронная звезда, то есть сверхплотное тело, в котором все атомы сжаты так, что электроны вмялись в протоны и из всех из них сделались нейтроны. Это тоже очень заметный экспонат космического зоосада. Для нашего рассказа особенно интересно в нейтронных звездах то, что при столкновении они могут сливаться в черные дыры. Это второй путь образования звездоподобных черных дыр. Такие дыры могут служить зародышами более крупных. Притягивая и поглощая окружающий газ и близкие звезды, они мало-помалу растут и становятся промежуточными, а потом и гигантскими черными дырами. Но гиганты могут получаться и другим путем. В галактиках есть места довольно плотного скопления звезд. Вот такие скопления под влиянием гравитации могут стягиваться в суперогромную звезду, которая обычно выгорает за несколько миллионов лет и коллапсирует сразу в черную дыру-гиганта.

Таким образом, черные дыры промежуточного размера вроде бы должны возникать вполне естественно, как промежуточная стадия образования гиганта. Ничего загадочного в них быть не должно. Это не какие-нибудь микродыры, о которых до сих пор идут споры. Дело в том, что, как следует из сказанного выше, черные дыры могут возникать только за счет гравитационного коллапса, а расчеты приводят к выводу, что коллапсировать могут только звезды, масса которых не меньше полутора-трех солнечных масс. Как же тут возникнуть черным дырам меньшей массы?

Тем не менее теоретики указывают, как минимум, на три процесса, которые без всякого коллапса могут так сильно сжать маленькую массу, что она уместится в сверхмикроскопический объем, то есть станет микродырой. Это, во-первых, испарение большой черной дыры. Да, хотя черная дыра не выпускает наружу свет, но, как подсчитал знаменитый Хоукинг, в результате определенных квантовых процессов она должна выбрасывать наружу микрочастицы и постепенно терять массу. На этом пути она может дойти до стадии микродыры, а потом и вовсе испариться. Микродыра, по Хоукингу, долго не живет. Другой путь ее образования — это Биг Бэнг. На ранних стадиях образования Вселенной могли существовать такие высокие давления, при которых возможно было и образование микродыр. А третий путь — это столкновения частиц с высочайшей энергией — например, в ускорителе. Вот и сейчас в связи с окончательным пуском нового грандиозного ускорителя под Женевой, так называемого Большого коллайдера, опять возобновились апокалиптические разговоры, что в нем, мол, может возникнуть микродыра, которая вырвется на свободу и "проест насквозь" весь земной шар.

В этой связи позволим себе отвлечься. Если бы такое было возможно, микродыры рождались бы многократно, при любом вторжении в атмосферу достаточно мощных частиц космического излучения, которые много энергичнее, чем любой земной ускоритель. Такие микродыры имели бы скорость космической частицы и проходили бы сквозь Землю за четверть секунды без всякого ущерба для нашей планеты, а затем на той же околосветовой скорости уносились бы в неведомую космическую даль, чтобы там испариться на лету. В ускорителях с мощностью Большого коллайдера микродыры могли бы возникнуть только при условии, что мы жили бы в пространстве не трех, а много больше измерений, как это утверждают некоторые варианты новейшей теории струн. Однако эта теория весьма спекулятивна и гипотетична. Но даже если она верна и такие дыры могли бы возникнуть, то они оставались бы практически в покое (в отличие от тех, что могут быть образованы космическими лучами) и за несколько секунд испарились бы без остатка. Разве что неверен вывод Хоукинга об испарении дыр вообще, но это уж слишком много "разве что" и "если".

Поэтому оставим в покое микродыры и вернемся к промежуточным дырам. Мы сказали, что именно они до сих пор почему-то упорно не обнаруживались. А какие у нас есть свидетельства существования других дыр? Ну, гигантские черные дыры выдают себя несколькими признаками. Во-первых, как мы уже говорили вначале, вокруг них должно обращаться облако (точнее — плоский диск) раскаленного вещества, и тогда перпендикулярно этому диску должны выбрасываться в две стороны длинные факелы движущегося с околосветовой скоростью газа. Правда, это явление может сопровождать также нейтронную звезду, поэтому желательно, чтобы был и второй признак — сильное излучение ренгтеновских или даже гамма-лучей (то есть самого мощного излучения, какое есть в природе). И есть еще третий признак — гравитационная линза. Как мы знаем, гравитация массивного объекта искривляет световые лучи. Поэтому супермассивная черная дыра должна фокусировать лучи находящегося позади нее объекта, подобно тому, как обычная линза фокусирует солнечные лучи.

Вот, опираясь на все эти приметы, вместе взятые, астрономы и утверждают сегодня, что в центре почти всех крупных галактик находятся супергигантские черные дыры с массой порядка миллиардов солнечных масс, существование которых вызывает невероятно активные процессы в центрах этих галактик (такие центры так и называются "активными галактическими ядрами", и считается, что именно они являются источником пронизывающих Вселенную космических лучей). Есть такая дыра и в центре нашего Млечного Пути, в направлении на созвездие Саггитариус. Об этом говорит быстрое вращение некой звезды S2 на расстоянии всего 17 световых часов от центра нашей галактики. Расчеты показывают, что такое вращение может вызвать масса примерно в 4 миллиона солнечных масс, сконцентрированная в сфере радиусом всего шесть с хвостиком световых часов.

Черные дыры во Вселенной

Такими параметрами может обладать только гигантская черная дыра.

С помощью таких же признаков астрономы недавно (в январе 2008 года) обнаружили самую гигантскую из всех найденных до сих пор черных дыр. Этот рекордсмен массой в 18 миллиардов (!) солнечных масс находится жутко далеко от нас, но что интересно — имеет спутника в виде другой черной дыры, размером поменьше, "всего" в 100 миллионов солнечных масс, которая постепенно сближается с первой. При каждом обращении дыра-спутник пронизывает диск вещества, окружающий основную дыру, и это вызывает выброс излучения, вспышку, по которым астрономы опознали эту систему и рассчитали все ее параметры. Существуют и другие кандидаты в рекордсмены массы, но сведения о них менее точны. В общей сложности на данный момент астрономы насчитывают около 160 супермассивных черных дыр во всей разведанной Вселенной. Судя по данным о них и основанным на них расчетам, все эти дыры быстро вращаются. Упомянуть об этом стоит, потому что, в отличие от стационарных черных дыр, вращающиеся дыры, согласно расчетам теоретика Керра, который ими первый занялся, имеют поразительные свойства — в их центре, например, могут открываться туннели, ведущие в другие точки нашей Вселенной или даже в другие вселенные, если таковые существуют.

Но вернемся все же к черным дырам промежуточного размера и к загадке их видимого отсутствия. Насчет признаков наличия во Вселенной гигантских дыр мы уже сказали. Признаки существования небольших звездоподобных дыр тоже достаточно многочисленны. Но вот намеки на существование дыр с массой в сотни или тысячи солнечных масс можно пересчитать по пальцам. Поэтому каждый новый такой намек вызывает большой интерес. Например, в 2002 году внимание ученых привлекли сообщения сразу двух групп астрономов, которые заявили, что нашли признаки существования промежуточных черных дыр массой в 4 тысячи и 20 тысяч наших Солнц в так называемых "шаровых скоплениях" двух галактик, нашей и туманности Андромеды. И что еще более интересно — оказалось, что массы этих промежуточных черных дыр так же пропорциональны массам своих скоплений, как массы гигантских черных дыр в центрах галактик — массам своих галактик. Это сходство явно о чем-то говорило, но ни авторы, ни их коллеги не могли догадаться, о чем.

Зато другая особенность — тот факт, что обе промежуточные дыры были найдены внутри шаровых звездных скоплений, — стал толчком к новому открытию. Дело в том, что такие шаровые скопления — частое явление в галактиках. В одном только Млечном Пути их насчитывается около 150. И вот американский астроном Келли Холли-Бокельман высказала смелую гипотезу, что именно эти скопления являются главным местом образования черных дыр промежуточного размера. Звезды в шаровых скоплениях расположены особенно плотно, и если некоторые из этих звезд, как то часто бывает, сколлапсируют и дадут начало звездоподобным черным дырам, то здесь будет повышенная вероятность, что такие дыры встретятся и сольются, образовав промежуточную черную дыру. Но если так, то такие дыры должны наблюдаться достаточно часто, ведь шаровых скоплений много. Где ж они?

Чтобы решить этот вопрос, Холли-Бокельман провела длительное компьютерное моделирование процессов, которые могут происходить при столкновении черных дыр различной массы и различной скорости вращения, и недавно, тоже в январе 2008 года, предложила неожиданное объяснение загадки. По ее компьютерным расчетам, при соударениях, приводящих к рождению черной дыры промежуточного размера, эта дыра получает огромный реактивный толчок, который придает ей скорость в сотни или даже тысячи километров в секунду. В результате от 70% до целых 98% (в зависимости от условий столкновения) образовавшихся черных дыр промежуточного размера должны вылетать из своих шаровых скоплений и становиться "сиротами", одиноко блуждающими в космосе и потому совершенно невидимыми. Вот почему их и невозможно обнаружить обычными методами.

Это открытие "на кончике пера", сделанное Холли-Бокельман, уже привлекло сочувственное внимание коллег. А один из них, астроном Крэг Уиллер, даже выдвинул гипотезу, что вывод Холли-Бокельман можно расширить, предположив, на том же основании, что в космосе могут блуждать и другие, гораздо более многочисленные "невидимки" — миллионы звездоподобных черных дыр, возникших в результате коллапса одиночных звезд, не относившихся ни к каким созвездиям или скоплениям. Жуткая вырисовывается картина: невидимки всех мыслимых размеров, от эфемерно существующих микродыр и черных дыр в несколько солнечных масс и вплоть до громадин в несколько тысяч масс Солнца, блуждают во всех направлениях по нашему Млечному Пути и, возможно, уже в данную минуту приближаются к нашей Солнечной системе, а мы ни о чем таком не догадываемся?

Картина, конечно, жуткая, но опасаться не стоит. Даже если она верна, то вероятность столкновения Солнечной системы с такой блуждающей черной дырой ничтожно мала — не больше, чем вероятность встречи с какой-нибудь блуждающей звездой, каких тоже немало должно быть в Галактике. Разумеется, даже самое маловероятное явление может произойти в любой момент, но в наших ли силах его предотвратить?! Нужно примириться с тем, что мы вообще живем по милости вероятностей, и заняться лучше куда более вероятными — земными — неприятностями.

1.Чёрные дыры звёздных масс.

Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс Взять в аренду автокран по выгодной цене в компании АР-ТЭКС.

§ Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2-3 раза).

Какие бывают и как образуются черные дыры

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C87> (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•1015 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10-3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

3.Первичные чёрные дырыв настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

4.Квантовые чёрные дыры.

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере

космический черный дыра вселенная

Заключение

Чёрные дыры являются совершенно необычными по своим свойствам объектами. Несмотря на весь прогресс, достигнутый в их изучении, природа пространства и времени чёрных дыр в большой мере остаётся загадочной. Некоторые аспекты этой проблемы всё ещё выглядят как научные забавы, интересные только для специалистов.

Что касается практической реализации новых идей, хотелось бы напомнить то, что в середине XIX века даже такая практическая (теперь) вещь, как электричество, казалась научной абстракцией. Когда британский премьер-министр того времени спросил Фарадея о практической ценности электричества, Фарадей ответил: „Когда-нибудь ваше правительство введёт на него налог“.

Что случится, если человечеству удастся создать искусственную черную дыру? Оказывается, черные дыры не являются совсем «черными», они излучают так называемое «излучения Хокинга», что заставляет их терять энергию, а следовательно и массу с течением времени. Для больших черных дыр количество излучения является очень маленькой, но маленькие черные дыры могут быстро превратить свою массу в огромное количества энергии.

Луи Крэйн и Свон Вестморланд попытались вычислить, что потребуется для создания маленькой черной дыры, чтобы можно было использовать ее энергию. Они считают, что существует «золотая середина» для искусственных черных дыр, которые будут достаточно малыми, чтобы создавать огромное количество энергии, но достаточно большими, чтобы они не смогли сразу отдали всю свою энергию. По расчетам ученых идеальная искусственная черная дыра должна иметь массу около миллиона метрических тонн, а ее размер будет около одной тысячной размера протона. Черная дыра начнет моментально отдавать энергию, которая была сжата.

Перейти на страницу:
12

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЁЗД И ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

Возможен ли коллапс малых масс? Прервём на время рассказ об удивительных свойствах чёрных дыр, чтобы ответить на неизбежный вопрос: “А какие есть основания считать, что чёрные дыры действительно существуют в природе?”

Для того чтобы тело с массой М образовало чёрную дыру, необходимо сжать его до размера порядка гравитационного радиуса, при этом плотность окажется порядка р{ро}~M/(4/3piR3g)=Зс6/(32piG3М2)~7,3-1082M-2 г/см3 (М — масса в граммах). Еще задолго до достижения таких плотностей возникает необходимость преодолеть сопротивление обычных сил отталкивания. Самостоятельному переходу малых масс в энергетически выгодное состояние чёрной дыры препятствует энергетический барьер, высота которого определяется величиной необходимой работы против сил давления. Для больших масс такого барьера нет. Чтобы оценить критическую массу, при которой энергетический барьер исчезает, рассмотрим однородный шар, составленный из N нейтронов. Тогда, считая, что давление нейтронного вещества определяется уравнением состояния идеального (вырожденного) ферми-газа, для высоты энергетического барьера получаем значение порядка N?/3т Пл с2, где mПл= sqrt[-hc/G] примерно=2,8 • 10-5 г — так называемая планковская масса. Если сравнить это выражение с полной массой покоя системы из N барионов Nmnс2 (mn = 1,67-10-24г — масса нейтрона), то видно, что при N<Nкр = = (тпл /тn)3 ~- 1057 действительно имеется барьер, препятствующий гравитационному коллапсу вещества. В 1962 г. известный советский физик Я. Б. Зельдович заметил, что с учётом квантовых эффектов коллапс малых масс оказывается возможным, однако поскольку этот процесс связан с квантовым подбэрьерным просачиванием, то вероятность его ничтожно мала. Для того чтобы предотвратить возможное недоразумение, подчеркнём, что мы рассматриваем в этом разделе вопрос о коллапсе изолированной массы. В среде с высокой плотностью и давлением возможно образование чёрных дыр меньшей массы.

О том, насколько велик этот потенциальный барьер в случае малых масс, позволяет судить следующий пример. Если бы мы захотели создать малую чёрную дыру, заставив сколлапсировать 1600 т железа, на преодоление барьера нам бы пришлось затратить энергию, выделяемую при термоядерном горении 2*1013 т дейтерия. Иными словами, нам бы потребовалось взорвать весь дейтерий, содержащийся в земном океане! Поэтому в современной Вселенной возможно образование чёрных дыр только с массой большей или порядка Мкрит.= тп Nкрит.-1033 г. Если теперь вспомнить, что масса средней звезды как раз имеет такой порядок (масса Солнца равна 2*Ю33 г), то возникает закономерный вопрос, не возникают ли чёрные дыры естественным образом на каком-либо этапе эволюции звёзд.

Эволюция звёзд. Звёзды возникают из облаков газа и пыли, имеющихся во Вселенной. Первоначальные неоднородности этих образований возрастают со временем. В этом проявляется характерное для гравитационного взаимодействия свойство неустойчивости, уже отмечавшееся ранее. В результате этого процесса возникают массивные сгущения с массами, во много раз большими солнечной массы. Подобная протозвезда сжимается, при этом её первоначальная потенциальная гравитационная энергия превращается при сжатии в тепловую и температура в её центре растёт. Когда она достигает 106 К, начинаются термоядерные реакции.

Доля водорода, наиболее распространённого элемента Вселенной, в звёздах высока — от 50 до 80%, а вместе с гелием он составляет от 96 до 99% массы звёзды. При термоядерной реакции водород превращается в гелии и выделяется та энергия, которая компенсирует звезде её потери на излучение. В термоядерной топке такой звезды, как наше Солнце, ежесекундно превращается в гелий ~600 млн. т водорода и при этом освобождается энергия, эквивалентная (согласно формуле Эйнштейна Е = тс2) массе ~4 млн. т. Однако запасы водорода в звёздах настолько велики, что их хватает на миллиарды лет. Давление нагретого газа противостоит в звезде гигантским силам гравитационного притяжения, горящие звёзды оказываются устойчивыми и, пока не исчерпались запасы водородного горючего, параметры звезды (такие, как температура, светимость), изменяются крайне незначительно.

После выгорания водорода давление падает и центральная область звезды сжимается. При сжатии растут плотность и температура и, когда температура достигает 100 млн. град., начинается термоядерное горение накопившегося гелия, Резкое выделение энергии при этом заставляет внешнюю часть звезды расшириться до гигантского размера в сотни миллионов километров, и звезда превращается в красный гигант.

Сгорание гелия происходит быстрее, и эта стадия занимает существенно меньшее время, чем стадия горения водорода. Для звёзд гораздо массивнее Солнца при дальнейшем сжатии ядра после выгорания гелия возможны и другие типы термоядерных реакций, приводящих к появлению более тяжёлых элементов, однако и эти стадии лишь слегка оттягивают неизбежный конец.

Картина гибели звезды зависит от её массы. Звезды с массой порядка солнечной и меньше, постепенно сжимаясь и, возможно, выбросив часть своего вещества, превращаются в белые карлики — карликовые звёзды с размером порядка радиуса Земли и огромной плотностью. Плотность их настолько велика, что кубический сантиметр их вещества имеет массу, измеряемую тоннами. У только что образовавшегося белого карлика достаточно велики запасы тепловой энергии, и поэтому они светят ещё в течение сотен миллионов лет, постепенно остывая. Звёзды средней массы, от одной до нескольких масс Солнца, могут также превращаться в белые карлики, сбросив, однако, значительную часть своего вещества.

Самые массивные звёзды заканчивают свой жизненный путь грандиозным взрывом. Взрывы массивных звёзд приводят к выделению столь колоссальных энергий, что на короткое время умирающая звезда становится ярче целой галактики. Такие вспышки звезд, получивших название сверхновых, происходят в галактиках в среднем раз в 100 лет. Последняя вспышка сверхновой в нашей Галактике наблюдалась в 1604 г. При взрыве массивных сверхновых в космос выбрасывается огромное количество вещества, масса которого может составлять несколько солнечных масс.

Черные дыры в космосе: интересные факты

Скорость расширения оболочки, первоначально составляющая тысячи километров в секунду, с течением времени уменьшается до сотен километров в секунду. Через сотни дней сверхновая гаснет, и на её месте наблюдают в виде туманности сброшенную светящуюся оболочку.

Белые карлики. Предел Чандрасекара. Хотя детально рассчитать бурные процессы, сопровождающие гибель звезды, затруднительно, вопрос о том, какова дальнейшая участь звезды или её остатка, допускает довольно чёткий ответ. Поскольку ядерное горючее уже выгорело и потери энергии на излучение не компенсируются, звезда или её остаток могут закончить свою эволюцию в виде устойчивого холодного образования, если только давление этого холодного вещества окажется достаточно большим, чтобы противостоять гигантским силам гравитационного притяжения. Основной вклад в давление при низких температурах дают фермионы, которые в соответствии с принципом Паули не прекращают своего движения и при абсолютном нуле температуры.

При сжатии выгоревшей звезды на некотором этапе происходит разрушение атомов на их составляющие: ядра и свободные электроны. Это случается, когда атомы прижаты друг к другу до расстояний, меньших радиуса орбит вращения электронов в атоме. Давления вырожденного электронного газа оказывается достаточным для обеспечения равновесия звезды с массой меньшей или порядка солнечной. Сжатие такой звезды прекращается, когда размеры её становятся порядка размера Земли и образуется белый карлик.

Для белых карликов характерны следующие средние параметры: масса — 1,2-1033 г, радиус — 9000 км, средняя плотность — 400 кг/см3, ускорение силы тяжести на поверхности — 106 м/с2, вторая космическая скорость (т. е. скорость ухода частиц с поверхности) — около 4000 км/с.

Чем больше масса белого карлика, тем выше плотность вещества в нём и тем больше импульс Ферми электронов. При плотности вещества порядка 2000 кг/см3 скорость движения электронов становится порядка скорости света и далее почти не растёт. Поэтому становится несущественным другой фактор, приводящий к увеличению давления, а именно, рост частоты ударов электронов о поверхность, помещённую в подобный релятивистский газ. Этого оказывается достаточно для того, чтобы рост давления перестал компенсировать рост силы тяготения, и звезда потеряла устойчивость. В начале 30-х гг. известный астрофизик С. Чандрасекар показал, что предел устойчивости белых карликов — 1,2 солнечной массы. Эта предёльная масса получила название предела Чандрасекара. Для вращающихся звёзд этот предел немного больше.

Нейтронные звёзды и пульсары. Что же происходит с мёртвыми звездами, массы которых превышают предел Чандрасекара? Этот вопрос был исследован в ряде работ в 30-х гг., среди которых следует выделить работы В. Бааде и Ф. Цвикки (1934 г.), Л. Д. Ландау (1937 г.), Ю. Р. Оппенгеймера и Г. Волкова (1939 г.). В них было показано, что сжатие таких массивных звёзд продолжается до тех пор, пока плотность в них не достигнет плотности, характерной для атомных ядер: 1014— 1015 г/см3. При этом происходит перестройка вещества, в результате которой ядра разваливаются на составляющие их протоны и нейтроны.

Энергия вырожденных электронов настолько велика, что энергетически более выгодным оказывается их слияние с протонами, и в веществе звезды при такой плотности появляется заметная нейтронная составляющая. Давление вырожденного нейтронного ферми-газа может остановить Сжатие, при этом образуется так называемая нейтронная звезда. Нейтронные звёзды имеют размер от 10 до нескольких десятков километров.

Для нейтронных звёзд характерны следующие средние параметры: масса — 2*1033 г (порядка солнечной), радиус — 10—20 км, плотность — 2*1014 г/см3, минимальный период вращения — 0,001 с, вторая космическая скорость — 0,4—0,5 скорости света.

Открытие нейтронной звезды, предсказанной теоретиками, произошло в 1967 г. довольно неожиданным образом. Начиная с 1964 с, на радиотелескопе в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии в группе, возглавляемой профессором Э. Хьюишем исследовались вариации радиоизлучения от дискретных космических источников. Однажды летом 1967г. аспирантка Э. Хьюиша Жаклин Белл обратила внимание на один довольно необычный источник, посылающий, как выяснилось позднее, строго периодические радиосигналы. До открытия других подобных объектов, получивших позднее название пульсаров, этот уникальный строго периодический характер радиоизлучения настолько озадачил открывателей, что в качестве одной из гипотез обсуждалась возможность посылки этих сигналов представителями внеземной цивилизации.

Идея о возможной связи пульсаров с остатками сверхновых завоевала признание, когда после открытия ещё нескольких пульсаров в 1968 г. был открыт пульсар в Крабовидной туманности, получивший название ПР0532 обладавший рекордно коротким периодом — 0,03 с. В 1054 г. астрономы Древнего Китая наблюдали вспышку сверхновой в созвездии Тельца, как раз в том месте, где теперь наблюдается Крабовидная туманность. Более того, по скорости расширения этой туманности астрономам удалось установить момент начала расширения, который блестяще совпал с датой наблюдения сверхновой китайскими астрономами. Таким образом, Крабовидная туманность — это оболочка, сброшенная сверхновой, а пульсар NP0532 — остаток звезды.

Расчёты показали, что ни вращение, ни колебания белых карликов не могут объяснить столь короткий период излучения пульсаров (до сотых долей секунды), и учёные пришли к выводу, что пульсары представляют собой разновидность нейтронных звёзд. Периодическое радиоизлучение пульсаров связано с наличием сильных магнитных полей у вращающихся нейтронных звёзд. Пульсар работает как маяк: направляемое магнитным полем излучение достигает Земли всякий раз, когда направление магнитного поля совпадает с направлением на Землю. В настоящее время число известных пульсаров измеряется сотнями.

Предельная масса нейтронных звёзд. Для устойчивых нейтронных звёзд также существует верхний предел массы. Этот предел, равный 2—3 солнечным массам (для нейтронных звёзд поправки, связанные с общей теорией относительности, могут достигать 15—20%. Ранее уже упоминалось о том, что наряду с общей теорией относительности имеется целый ряд логически непротиворечивых теорий гравитации. Вывод о существовании предельной массы нейтронных звёзд остаётся справедливым и в других наиболее разработанных вариантах (например, в скаляр-тензорной теории Бранса—Дикке и в биометрической теории Розека), однако само значение предельной массы может оказаться другим), возникает по той же причине, что и предел Чанд-расекара: нейтроны при плотностях, соответствующих предельной массе, становятся релятивистскими, давление с увеличением плотности растёт медленнее и нейтронная звезда теряет устойчивость. Новым оказывается то, что для звёзд большей массы остановка коллапса невозможна и сжатие звёздных остатков с массой, большей 2—3 масс Солнца, приводит к образованию чёрной дыры. Если бы вспышки всех достаточно массивных сверхновых приводили бы к образованию чёрных дыр, то в нашей Галактике число чёрных дыр исчислялось бы миллионами. Однако из-за того, что при взрыве массивных сверхновых может сбрасываться большая доля их массы, число реально существующих чёрных дыр может оказаться значительно меньше.

Итак, после гибели звезды остаётся либо белый карлик, либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра. Белые карлики были известны уже многие десятилетия, нейтронные звёзды открыты в виде пульсаров 15 лет назад, а что известно о чёрных дырах?

Похожие главы из других работ:

Выбор эффективных вариантов систем десантирования на планеты Солнечной системы

2. ПОСТРОЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ МАТРИЦ СД И ЕЕ СИСТЕМ И ФОРМИРОВАНИЕ СОВОКУПНОСТИ КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СД

В соответствии с методом морфологического ящика составим морфологические таблицы, на основе которых можно сгенерировать множество возможных вариантов СД и ее подсистем. В таблице 1 представлен возможный вариант корневой ММ…

Гравитационные измерения

1.1 Формирование идей относительности и представлений о Вселенной до Ньютона

Иногда отцом физики называют Аристотеля (384—322 гг. до н. э.). Говоря современным языком, физика — это наука об основных закономерностях («первичных причинах» по Аристотелю), принципах («первых началах») природы и ее «элементах»…

Зарождение Солнечной системы

Формирование Солнечной системы

В примечании к своему знаменитому трактату "Математические начала натуральной философии" Ньютон пишет: "… удивительное размещение Солнца, планет и комет может быть только творением всемогущего существа", однако…

Мнение авторитетных людей по поводу затопления станции "Мир"

4. выявить факторы, влияющие на формирование мнений авторитетных людей, наиболее компитентных в вопросах российской космонавтики.

Для решения поставленных задач необходимо выбрать наиболее подходящие методы исследования: 1.

Чёрная дыра

анализ понятийно — терминологической базы; 2. анализ источниковой базы; 3. анализ научной литературы. §1…

Мнение авторитетных людей по поводу затопления станции "Мир"

§4.Факторы, влияющие на формирование мнений авторитетных людей, наиболее компитентных в вопросах российской космонавтики

Ю.Коптев на 2001 год занимал пост Генерального директора Российского авиационно-космического агентства с 1992г. Следовательно, был осведомлен в состоянии и положении орбитальной станции практически с момента запуска в эксплуатацию…

Основные сведения об астероидах

Формирование астероидов

В период формирования Солнца условия не были, конечно, одинаковыми на разных расстояниях от Солнца и менялись с течением времени. Вещество оставалось холодным только вдали от Солнца…

Разработка модели заряженной черной дыры Райсснера-Нордстрема в среде программирования Delphi

Глава 1. Теоретический обзор представлений о черных дырах

Разработка модели заряженной черной дыры Райсснера-Нордстрема в среде программирования Delphi

1.2 Анализ представлений о черных дырах

В истории представлений о чёрных дырах условно можно выделить три периода: Начало первого периода связано с опубликованной в 1784 году работой Джона Мичелла, в которой был изложен расчёт массы для недоступного наблюдению объекта…

Черные дыры

1. История идеи о черных дырах.

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал…

Черные дыры

3. Свойства черных дыр

Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО…

Черные дыры

4. Поиски черных дыр

Расчеты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики…

Черные дыры

5. Термодинамика и испарение чёрных дыр

Представления о чёрной дыре как об абсолютно поглощающем объекте были скорректированы С.Хокингом в 1975 году. Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, он предсказал…

Черные дыры

7. Виды черных дыр

А) Сверхмассивные чёрные дыры Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A*…

Чёрные дыры: объекты космических исследований

История идеи о черных дырах

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…

Чёрные дыры: объекты космических исследований

Небесная механика черных дыр

Согласно ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым — гиперболе или параболе, — либо по замкнутой кривой — эллипсу (в зависимости от того…