[Параметры] [Интерфейс] [Работа с письмами] [Ошибки]
(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91) (92) (93) (94)


Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизикиакадемик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см."самый интересный журнал Наука и жизнь " №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектовбыло предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию,точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика заняласьими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуюттысячи статей, посвященных черным дырам. КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотностиЗемли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца,из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Такимобразом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именнопо причине своей величины остаются невидимыми.Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать летнезависимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провелиочень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых светне сможет покинуть звезду.Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планетыили звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторуюкосмическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда егопокинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновскаятеория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитныхволн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убеганиячастиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхностипланеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большоерасстояние. Эта скорость определяется формулойгде M - масса космического объекта, R - его радиус, G- гравитационная постоянная.Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получившийназвание "гравитационный радиус rg"), прикотором скорость убегания равна скорости света:Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом rg< 2GM/c2, перестанет излучать - свет покинутьее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2.1033г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра.Плотность его вещества при этом достигнет 1016 г/см3.Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно доодного сантиметра.Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжатьзвезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласаболее ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющегофизического смысла.Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотическийобъект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астрономКарл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительностиАльберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицыв гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряетфизический смысл ( его решение обращается в бесконечность) при r= 0 и r = rg.Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными,то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или,что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическоетело - звезду или планету - можно представить как материальную точку).А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом rg,образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равнаскорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярнойсферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черныедыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющиедело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления,считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не всеверили в их существование. Однако первые указания на возможность образованиячерных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна,созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первыхинтерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годахвывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из нихследует, что звезда находится в равновесии под действием противополож нонаправленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движениемчастиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегосяв его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар,в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии.Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнцасоставляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономическихизмерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Этопозволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается"термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщикитого времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком"холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На этовзбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идеттермоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечнаямодель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому,оказалась неверной - см., например, "самый интересный журнал Наука и жизнь " №№ 2, 3, 2000 г.).Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение,которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вотядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучениегаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существуетограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимосжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышаетдве-три массы Солнца. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает,поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния.Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации,нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движенияоболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света.И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представленийо природе света. С точки зрения общей теории относительности явления вокрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В еемощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение.Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта,смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда,частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийсяза ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри.Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частотастановится равна нулю, время останавливается. Это означает, что постороннийнаблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая снарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается.С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятсяк гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферуШварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру,все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационногоколлапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотнойи компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегаетнеприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи чернойдыры.Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационногорадиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягиваютракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечнойдлины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствоватьискажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно,относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будетразорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварц-шильда . РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционаленмассе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звездыне накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она,например, возникла при коллапсе звезды массой 108 масс Солнца(или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольшихзвезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земнойорбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотностиводы.По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик.Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик,в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже),имеются черные дыры массой порядка миллиарда (109) солнечной.В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалосьоценить довольно точно - 2,4.106±10% массы Солнца.Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны быливозникать и черные мини-дыры массой порядка 1014 г и радиусомпорядка 10-12 см (размер атомного ядра). Они могли появлятьсяв первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильнойнеоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии.Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуютна мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты вЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюоннуюплазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц.Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американскомускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-двапорядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнетли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространствои погубит Землю?Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США быловынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности.Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергияускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом экспериментерассказано в журнале "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 3, 2000 г.). КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научилисьвидеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способаобнаружить черную дыру. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоегоцентра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звездыкрутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать:в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположилиналичие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства.Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали,образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именноэто и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшаяв ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакимисилами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицыиспытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Этоизлучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучениючастиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселеннойприходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна бытьчерная дыра. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано,что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянииза считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой ипрочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования- пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются спомощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятсясейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наукаи жизнь" № 5, 2000 г.).И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черныхдыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находитсяименно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователятребуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящийразночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить егорадиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределахнашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляютизвестную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналыбуквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов,способных пролить свет на их загадку.Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически,которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии:масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца. ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ" Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которыев вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однаков 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что чернымдырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая"пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашеммире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить"из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трехгамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичныеявления неоднократно наблюдались в лабораториях.Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр.Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергияпары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшаясудьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу жеили вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры неизменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдательзарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра.При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E, уменьшитсвою энергию, а с энергией E - увеличит.Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршелк выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше.Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Крометого она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6.10-8Mс/M кельвинов, где Mс - массаСолнца (2.1033 г), M - масса черной дыры.Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой,в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса.Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенныевыше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть,что при массе 1014-1030 граммов они оказываются нагретымидо десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить,что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускаетсяслоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, раноили поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет",темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано,что мини-дыры массой 1014 граммов, возникшие сразу после Большоговзрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью.На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины,поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии.Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни- ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии- еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связанас не менее захватывающими вопросами физики черных дыр. С. ТРАНКОВСКИЙ. Образование черной дыры может происходить тремя путями. Звезда, массакоторой превышает две-три массы Солнца, в конце своей жизни сжимается вбелый карлик. Если его масса велика, сжатие продолжается и белый карликпревращается в нейтронную звезду, которая коллапсирует до черной дыры либосразу (1), либо после остывания (2). Массы нейтронной звезды может не хватитьдля коллапса, и тогда он начнется после того, как звезда всосет в себядостаточное количество межзвездного вещества (3).Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующейчерной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашеннаяобласть) сжимается, устремляясь к сингулярности. Сигналы (2), идущие сее поверхности, достигают наблюдателя за все большие промежутки времени- возникает гравитационное красное смещение. Когда радиус черной дыры становитсяменьше шварцшильдовского, сигналы приходить перестают. Со стороны кажется,что время остановилось. 1- горизонт событий.



Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометриюпространства. На большом расстоянии пространство можно считаь плоским,евклидовым. Но по мере приближения к черной дыре оно все сильнее деформируется,и аналогичным образом изменяется форма предмета, падающего в черную дыру.Сторонний наблюдатель увидит, что предмет растягивается в бесконечно тонкуюнить бесконечной длины. Наблюдатель же, падающий на черную дыру, ничегопри этом не заметит.Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своемугравитационному воздействию. Она заставляет звезды двигаться по эллиптическимтраекториям вокруг якобы пустого места, втягивает в себя вещество звезди космическую пыль. При слиянии двух черных дыр возникает мощнейший всплескгравитационного излучения.В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.Поглощение частиц с отрицательной энергией приводит к уменьшению полнойэнергии черной дыры - ее испарению.Рождение пары частица-античастица в лаборатории. Гамма-квант высокойэнергии (он трека не оставляет и на снимке не виден) сталкивается с неподвижнымэлектроном. При столкновении возникают электрон и позитрон, траекториикоторых магнитное поле закручивает в разные стороны, а электрон приобретаетэнергию и с большой скоростью улетает. Еще один гамма-квант порождает вторуюэлектрон-позитронную пару (на снимке внизу).





(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91) (92) (93) (94)