Математическиерасчеты показывают - невидимые гигантыесть

В этом явлении,казалось, содержится стольконеобъяснимого, почти мистического,что даже Альберт Эйнштейн, чьитеории, по сути дела, породилипредставление о черных дырах, сампросто не верил в их существование.Сегодня астрофизики все большеубеждаются, что черные дыры - этореальность.

<sub>Японскийастроном Макото Мионис и егоколлеги во время наблюденийтуманности М106 обнаружили странноеповедение ее космического мазера.Оказалось, что облака вращаютсявокруг какого-то центра, удаленногоот них на 0,5 светового года.Особенно заинтриговала астрономовскорость этого вращения:периферийные слои облаковперемещались на четыре миллионакилометров в час! Это говорит о том,что в центре сосредоточенагигантская масса. По расчетам онаравна 36 миллионам солнечных масс.

Четырегода назад группа американских ияпонских астрономов направила свойтелескоп на созвездие Гончих Псов,на находящуюся там спиральнуютуманность М10 Эта галактикаудалена от нас на 20 миллионовсветовых лет, но ее можно увидетьдаже с помощью любительскоготелескопа. Многие считали, что онатакая же, как и тысячи другихгалактик. При внимательномизучении оказалось, что утуманности М106 есть одна редкаяособенность - в ее центральнойчасти существует природныйквантовый генератор - мазер. Этогазовые облака, в которых молекулыблагодаря внешней "накачке"излучают радиоволны вмикроволновой области. Мазерпомогает точно определить своеместоположение и скорость облака, ав итоге - и других небесных тел.

М106- не единственная галактика, гдеподозревается черная дыра. ВТуманности Андромеды, скорее всего,тоже есть и примерно такая же помассе - 37 миллионов Солнц.Предполагается, что и в галактикеМ87 - чрезвычайно интенсивномисточнике радиоизлучения -обнаружена черная дыра, в которойсосредоточено 2 миллиарда массСолнца!

Астрономыотбросили предположение о том, чтотакое количество материи можетбыть очень плотным скоплениемзвезд, которое мы не видим из-закосмической пыли. Звезды, входящиев скопление, должны были бынаходиться на очень близкомрасстоянии одна к другой. При такой"толкучке" они непременноначнут сталкиваться, и звездноескопление довольно быстро"рассыпется". Загадку хороводаоблаков ученые объяснили тем, чтоони наблюдают черную дыру, вернее,то, что происходит в ееокрестностях. Ведь саму черную дыруувидеть нельзя.

"Еслитакие тела в природе действительносуществуют, - заключал свою работуМишелл, - их свет нас никогда недостигнет". Идеи ученого накакое-то время привлекли вниманиенаучных кругов, но последователейон не обрел.

Еще 200лет назад вопросом о влияниигравитации на распространениесвета звезд задался ныне мало комуизвестный английскийестествоиспытатель Джон Мишелл.Большинство ученых в те временасчитали, что свет состоит из частиц.И Мишелл исходил из того, чточастицы света в своем движениибудут замедляться тяготениемзвезды или планеты, от которой ониудаляются. Он сделал расчет: какойдолжна быть наименьшая силапритяжения, чтобы частицы света немогли покинуть их источник. Еговычисления говорили, что небесноетело, весящее в 500 раз больше нашегоСолнца, вообще не позволит частицамсвета покинуть его.

Жизнеописаниезвезды

Прошло13 лет, и французский философ ПьерСимон Лаплас, по всей видимостинезнакомый с работами Мишелла,пришел к аналогичному выводу. Нотут вскоре было доказано, что свет -волновое явление. Гипотезы Мишеллаи Лапласа ученые оставили встороне. Все, что касалосьсоображений о взаимодействии светаи гравитации, Лаплас в последующихизданиях своих работ вычеркнул.</sub>

Представьте себесвободное от гравитациипространство как ровную резиновуюпленку. Вместо звезды у нас будеттяжелый бильярдный шар. Положим егона пленку - она прогнется. Второйшар, находящийся рядом, будетиграть роль планеты. Он скатится вуглубление, сделанное первым шаром,и шары столкнутся. Но если мызаставим второй шар двигаться сопределенной скоростью поокружности вокруг первого, тостолкновения шаров не будет -центробежная сила уравновесит ихпритяжение.

Более 100 лет проблемавзаимодействия света и гравитациибыла в забвении. Но к ней пришлосьвернуться, когда в конце 1915 годаЭйнштейн опубликовал Общую теориюотносительности - революционноеобъяснение сущности тяготения.

Немецкий астрономКарл Шварцшильд настолько увлексятеорией гравитации Эйнштейна, чтовзялся исследовать, как все этоотражается на жизни звезд.Полученные им формулы говорили, чтона определенном расстоянии отзвезды время, пространство и массастановятся взаимозависимыми: времяможет становиться пространством,пространство - временем. Этипарадоксы даже вообразитьневозможно, но математически ониотображаются четко. Согласноуравнениям Общей теорииотносительности, сильные полятяготения оказывают замедляющеедействие на время, искривляютпространство.

Вести себя так,как шары на резиновой пленке,должна и лучистая энергия - свет. Вприсутствии тяготения он сохраняетсвою скорость, но траектория света,попавшего в поле тяготения,искривляется под его воздействием.

Астрофизикипоняли, что уравнения Шварцшильдагодятся для звезд малых размеров.Небесное тело, имеющее массу,равную Солнцу, на последнем этапежизни должно "съежиться", егорадиус уменьшится до трехкилометров - это так называемая"граница Шварцшильда".

Все этитеоретические выводы прошли потомпроверку в экспериментахастрономов и физиков и вездеполучили подтверждение: парадоксытеории относительности выступают ив реальных событиях нашего мира, ноощутимыми они становятся, когдадело касается больших масс искоростей. В последние годы еще разубедились в этом на примереизучения такого явления, как черныедыры.

Индийский ученыйСубрахманьян Чандрасекар в 1930 годупришел к выводу, что звезда смассой, не превосходящей 1,4солнечной, в конце своей жизнипревратится в звезду иного класса -в белого карлика, который меньше,чем земной шар. Материя в ней сжататак плотно, что атомы теряют своиэлектронные оболочки. Электроныначинают жить собственной жизнью.Их свобода противостоит силамтяготения внутри тела звезды и темсамым сдерживает дальнейшееспадание вещества к ее центру.Более тяжелые звезды должны, каксчиталось в начале изучения этойпроблемы, под действиемколоссальной гравитации сжиматьсяеще больше. Но никто не представлял,до каких пределов они могутуменьшиться.

Продолжая изучатьприроду звезд, астрофизикиустановили, что это шары из газа,внутри которых происходитвыделение энергии за счет слиянияатомов водорода и образованияболее тяжелых атомов гелия. Возниквопрос: а что произойдет со звездой,когда ее топливо, водород, будетисчерпано?

Ответ на вопроснашли Роберт Оппенгеймер и егоученики в 1939 году. По ихпредставлениям, нет такой силы,которая могла бы противостоятьколлапсу (сжиманию вещества), еслимасса звезды более чем в три разапревосходит солнечную. В этомслучае - так говорит теория - всевещество небесного тела сомкнетсяв одной точке. Феномен, при которомплотность материи становитсябесконечно большой, математикиназывают сингулярностью (отлатинского "сингл", чтоозначает "точка"). Радиус такойкомпактной звезды будет меньшетрех метров, то есть меньше, чембыло определено Шварцшильдом.

Два года спустяпосле того, как были опубликованыработы Чандрасекара, английскийфизик Джеймс Чедвик открыл нейтрон.Это помогло узнать конечную судьбутяжелых звезд: огромное тяготение"вдавливает" свободныеэлектроны в протоны, и возникаютэлектрически нейтральные частицы -нейтроны. Рождается нейтроннаязвезда, вещество которой имеетневероятную плотность. Кусочектакой материи размером с кубикпиленого сахара весит одинмиллиард тонн, а нейтроннаяпесчинка уравновесила бы мощныйэлектровоз. Но это относится ксудьбе звезд, которые имеют массуне более трех солнечных. А чтослучится со звездой более тяжелой?

Когда звезда"спадается", то в окружающем еепространстве растут силыгравитации. Значит, пространствовсе сильнее и сильнее искривляется.Звезда замыкает вокруг себяпространство, когда ее радиусстановится меньше, чем "радиусШварцшильда". Небесное тело какбы обосабливается от всейВселенной: ни вещество, ни свет немогут покинуть звезду. Она словнопомещена в какую-то капсулу. Звездастановится невидимой - совсем так,как еще два столетия назадпредполагал Джон Мишелл!

"Горизонтсобытий"

До последнеговремени природа черных дырказалась совершенно непонятной,загадочной. Даже Эйнштейн, теорияотносительности которого сталапервым камнем в фундаментесовременного представления окосмосе, не верил в существованиетакого фантастического явления,как черные дыры. В одной из своихработ, опубликованной в 1939 году, онписал, что можно доказать: такого неможет быть. Дальнейшее развитиенауки показало, что здесь оношибался, хотя был настолько уверенв своей правоте, что до конца жизник этой проблеме не возвращался. Также и Оппенгеймер, разуверившись всуществовании черных дыр, не сталпродолжать исследованиятаинственного явления.

Наблюдатель извненикаких сигналов от звездыполучить не может. Про нее можносказать: скрылась за "горизонтомсобытий". А как высоко стоит этотгоризонт, определяется "радиусомШварцшильда".

Лишь вшестидесятые годы астрофизикивсерьез занялись поискамиэкзотических объектов Вселенной.Черные дыры стали искать средитяжелых мощных источников света. Атакие во Вселенной есть. Например,есть область, которая по размерамравна примерно нашей Солнечнойсистеме, а излучает энергии втысячи раз больше, чем все звездынашей Галактики - Млечного Пути.

Впрочем, ведьтогда это были чисто теоретическиевопросы. Галактика М106 еще неоткрыла свой секрет.

Мазер в галактикеМ106, о котором шла речь в самомначале, находится в газовом диске.Черные дыры, возникающие воВселенной, судя по тому, чтонаблюдали американские и японскиеастрономы в спиральной туманностиМ106, обладают несравненно большеймассой, нежели те, о которых говориттеория Оппенгеймера. Он рассмотрелслучай коллапса одной звезды, массакоторой не более трех солнечных. Акак образуются такие гиганты,которые астрономы уже наблюдают,объяснений пока нет.

В 1963 годуамериканский астроном М. Шмидтвысказал предположение, чтонедавно обнаруженный точечныйисточник радиоволн может бытьчерной дырой, еще не полностьюзакрытой "капсулой"искривленного пространства. Черезгод советский физик академик ЯковЗельдович и его американскийколлега физик Эдвин Солпитерсообщили о разработанной имимодели. Модель показала: чернаядыра притягивает газ изокружающего пространства, ивначале он собирается в диск возленее. От столкновений частиц газразогревается, теряет энергию,скорость и начинает по спиралиприближаться к черной дыре. Газ,нагретый до нескольких миллионовградусов, образует вихрь, имеющийформу воронки. Его частицы мчатсясо скоростью 100 тысяч километров всекунду. В конце концов вихрь газадоходит до "горизонта событий"и навечно исчезает в черной дыре.

По этой гипотезечерная дыра есть почти в каждойгалактике, в том числе и в нашей,где-то в центре Млечного Пути.

Последниекомпьютерные модели показали, чтогазовое облако, находящееся вцентре нарождающейся галактики,может породить огромную чернуюдыру. Но возможен и другой путьразвития: скопление газа вначалераспадется на множество болеемелких облаков, которые дадут жизньбольшому числу звезд. Однако и втом, и в другом случае частькосмического газа под действиемсобственной гравитации в концеконцов закончит свою эволюцию ввиде черной дыры.

Наблюдения такназываемых систем двойных звезд,когда в телескоп видна лишь одназвезда, дают основание считать, чтоневидимый партнер - черная дыра.Звезды этой пары расположены такблизко одна к другой, что невидимаямасса "высасывает" веществовидимой звезды и поглощает его. Внекоторых случаях удаетсяопределить время оборота звездывокруг ее невидимого партнера ирасстояние до невидимки, чтопозволяет рассчитать скрытую отнаблюдения массу.

Астрономическиенаблюдения, проведенные запоследние десять лет, позволяют сбольшой степенью достоверностиговорить о том, что черная дыра вМлечном Пути действительно есть, ив ней сосредоточено вещество,равное трем миллионам солнечныхмасс. В работах Оппенгеймера иШнайдера говорилось отеоретической возможностисуществования таких гигантов.

Все эти случаихорошо объясняются в рассужденияхДжона Мишелла о "темныхзвездах". В 1783 году он писал:"Если светящиеся тела вращаютсявокруг невидимого чего-то, то мыдолжны быть в состоянии из движенияэтого вращающегося тела сизвестной вероятностью сделатьвывод о существовании этогоцентрального тела".

Первый кандидатна такую модель - пара, обнаруженнаяв начале семидесятых годов. Онанаходится в созвездии Лебедя(обозначена индексом Cygnus XI) ииспускает рентгеновские лучи.Здесь вращаются горячая голубаязвезда и, по всей вероятности,черная дыра с массой, равной 16массам Солнца. Другая пара (V404)имеет невидимую массу в 12солнечных. Еще одна подозреваемаяпара - рентгеновский источник (LMCХ3)в девять солнечных масс находится вБольшом Магеллановом Облаке.

Совсем недавноудалось доказать, что некоторыечерные дыры вращаются, вовлекая вэто движение и окружающее ихпространство. "До сих пор мыумели узнавать лишь массу чернойзвезды, теперь можем определять еевращательный импульс", - сгордостью говорит сотрудник ЦентраНАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.

Год 199 Новыеоткрытия

Расшифровываяинформацию, поступающую отспутников, улавливающихрентгеновское излучение, Шуанг НанЦанг и его коллеги пришли к выводу,что в Млечном Пути находятся 12черных дыр с массой от трех дотридцати солнечных. Некоторые изэтих дыр вращаются очень медленно,другие - вовсе неподвижны. Но двевращаются вокруг своих осей сневероятной скоростью.

Черную дыруокружает некая граница, и всяматерия, находящаяся внутри нее,непременно будет поглощена дырой.Размеры границы зависят, вчастности, от скорости вращениячерной дыры. Эту скорость можнопосчитать, если знать, с какойскоростью движется материя уграницы.

Точные измеренияпозволяют определить скоростьвращения вихря материи прежде, чемона исчезнет в черной дыре.

"Исследуявращение черной дыры, - пишетастрофизик из Балтимора МариоЛивио, - можно узнать, сколькоматерии она успела поглотить засвою жизнь и как вращательныйимпульс связан с выбросом материи ввиде осевой струи". Цанг убежден,что эти две быстро вращающиесядыры, обнаруженные в нашейГалактике, посылают в своиокрестности струивысокоэнергичных частиц. Струивращаются примерно с той же скоростью, что исама черная дыра.

Такое движениенам хорошо знакомо: полярная осьЗемли тоже вращается и описываетсвоим (воображаемым) концом на небекруг за 25800 лет. У черных дырпрецессия происходит многоинтенсивнее: ось газо-пылевогодиска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз всекунду, ось диска, окружающеговторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300оборотов в секунду. Это говорит отом, что пространство около черныхдыр само вовлечено во вращение,примерно так, как вода в ванне закручиваетсяперед выпускным отверстием.

Кроме того, ученыеобнаружили колебанияинтенсивности рентгеновскогоизлучения у обоих объектов. Этинаблюдения навели в конце 1997 годана след еще более удивительногофеномена: газовые и пылевые частицыоколо двух черных дыр, о которыхидет речь, подверженыпериодическому движению,называемому прецессией. Это значит,что ось вихревого движения частицне стоит наместе, а в свою очередь вращаетсявокруг другой оси.

Нынешний успехастрономии доказывает, что черныедыры - не просто экзотическиеобъекты Вселенной, окрыляющие нашуфантазию, они заставляютзадуматься над тем, что многиепричудливые особенности природыеще не познаны. Два итальянскихастронома, Луиджи Стелла и МариоВиертри, на основе данных,полученных со спутника RXTE, открылиискривление пространства околонейтронной звезды, правда, оченьслабое. Уже создается спутник,названный "Gravity Probe В",специально приспособленный дляисследования эффектов теорииотносительности. Его стартпланируется на 2000 год.

Возможностьсуществования подобного феноменапредвидели еще в 1918 годуавстрийские физики Иосиф Лензен иГанс Тюрринг. Они пришли к такомувыводу на основе Общей теорииотносительности А. Эйнштейна. И воттолько теперь, в конце прошлогогода, впервые доказано, что такойэффект действительно существует.

Общая теорияотносительности, как известно,предсказала, что масса искривляетпространство. И уже через четырегода после опубликования работыЭйнштейна этот эффект былобнаружен астрономами. При полномсолнечном затмении, проводянаблюдения с телескопом, астрономывидели звезды, которые на самомделе были заслонены краем черноголунного диска, покрывшего Солнце.Под действием солнечной гравитацииизображения звезд сместились.(Здесь поражает еще и точностьизмерения, потому что сместилисьони меньше, чем на одну тысячнуюградуса!)

Гипотезы ипарадоксы

Моделирование накомпьютере показало, например, чтосвечение газового диска,вращающегося вокруг черной дыры,видно и сзади ее "капсулы". Этоозначает: тяготение столь велико ипространство так закручено, чтосвет проходит по кругу. Поистинетам можно увидеть то, чтопроисходит за углом.

Астрономы теперьточно знают, что под влиянием"линзы тяготения", которуюпредставляют собой тяжелые звездыи, прежде всего, черные дыры,реальные позиции многих небесныхтел на самом деле отличаются от тех,что нам видятся с Земли. Далекиегалактики могут выглядеть для насбесформенными и более яркими, чемони есть на самом деле из-за того,что на пути к Земле их светвзаимодействует со множеством"линз тяготения". Иногда луч,проходя мимо тяжелого объекта,расщепляется, и тогда наблюдатель сЗемли видит множество изображенийодного и того же объекта, или же они сливаются вкольцо.

По мереприближения к цели часы накосмическом корабле будут всебольше и больше отставать - этовытекает из теорииотносительности. На подлете к целинаш путешественник окажется как быв трубе, кольцом окружающей чернуюдыру, но ему будет казаться, что онлетит по совершенно прямомутоннелю, а вовсе не по кругу. Нокосмонавта ждет еще болееудивительное явление: попав за"горизонт событий" и двигаясьпо трубе, он будет видеть своюспину, свой затылок...

Вообразимсовершенно невероятное: некийотважный космонавт решил направитьсвой корабль к черной дыре, чтобыпознать ее тайны. Что он увидит вэтом фантастическом путешествии?

Как толькокорабль пересечет границу чернойдыры, люди на Земле уже не смогутничего увидеть из того, что тамбудет происходить. А на кораблеостановятся часы, все краски будутсмещены в сторону красного цвета:свет потеряет часть энергии вборьбе с гравитацией. Все предметыприобретут странные искаженные очертания.И, наконец, даже если эта чернаядыра будет всего вдвое тяжелее, чемнаше Солнце, притяжение станетстоль сильным, что и корабль, и егогипотетический капитан будутвытянуты в шнурок и вскоростиразорваны. Материя, попавшая внутрьчерной дыры, не сможетпротивостоять силам, влекущим ее кцентру. Вероятно, материяраспадется и перейдет всингулярное состояние.

Общая теорияотносительности говорит, чтопонятия "вовне" и "внутри"не имеют объективного смысла, ониотносительны так же, как указания"налево" или "направо","верх" или "низ". Вся этапарадоксальная путаница снаправлениями очень плохосогласуется с нашими повседневнымиоценками.

Г.НИКОЛАЕВ. По материаламгерманского журнала "Бильд дерВиссеншафт".

Согласнонекоторым представлениям, этараспавшаяся материя станет частьюкакой-то иной Вселенной - черныедыры связывают наш космос с другимимирами.

Лучи света вокрестностях черной дыры. Лучи,которые подлетают к ней слишкомблизко, будут поглощены ею. Наопределенном расстоянии лучипойдут по кругу, радиус которогозависит от массы черной дыры. Болееотдаленные лучи могут получитьобратное направление, или ихтраектория будет изогнута. А этоозначает, что реальноерасположение многих небесных телна самом делеможет существенно отличаться оттого, что нам видится с Земли.









Звезды иоблака газа в туманности Андромеды.

Ррезультаткомпьютерного моделирования полейтяготения. Так все это могло бывыглядеть в том случае, есливращающаяся черная дыра находитсягде-то между Землей и галактикойАндромеды.









Если какой-тофантастический космонавт попадет вчерную дыру, силы притяжения будутвытягивать его все больше и больше,пока не разорвут на молекулы, затемна атомы, а потом на элементарныечастицы.



Галактика М84удалена от Земли на 50 миллионовсветовых лет. В этом звездномскоплении, как подсказывают егоспектры (фото справа), находитсячерная дыра, масса которой не менее300 миллионов солнечных масс.Смещения в спектре говорят, чтооблака газа в окрестностях чернойдыры вращаются вокруг нее соскоростью 400 километров в секунду.



Чтобы отыскатьчерную дыру, надо исследоватьдвижение вращающихся масс. Спомощью радиоволн удалосьустановить, что в центре галактикиМ106 облачный диск имеет напериферии скорость, равную 900километрам в секунду. Этосоответству ет черной дыре в 36миллионов солнечных масс.



На фото:квазары, излучающие чудовищноогромные количества энергии (1). Онинаходятся на границе видимойВселенной и удаляются от нас согромной скоростью. Структураквазаров пока неизвестна,предполагается, что в них естьчерные дыры.
Галактика М87; видна струя частиц,выстреливаемых в космос (2).Отдельно вынесено увеличенноеизображение газопылевого облака —материи, притянутой черной дырой.Облако быстро вращается ираскалено.



На рисунках:черная дыра засасывает газ и пыль(1). Компьютерные модели показывают,как искривляется пространствовблизи черной дыры. Для наглядностиизображено кольцо (2), возле чернойдыры оно изгибается, как поля шляпы.В другом случае, когда черная дыравращается (пока считают, чтонекоторые из них неподвижны),кольцо становится еще иасимметричным (3).



Теорияотносительности Эйнштейна говорит,что вращающаяся масса увлекает засобой пространство. Недавно этотэффект был обнаружен астрономами.