Что такое чёрная дыра

В 1783 году Д. Мичел  рассчитал, что если звезду типа Солнца сжать до радиуса в 3 км, то ничто, и даже свет, не смогут её покинуть — настолько сильно будет её гравитация. Так появилось понятие – чёрная дыра. Однако сам термин был сформулирован Д. Уилером только в 1967 году. Реальность существования таких объектов зависит от правильности теории гравитации, которая опирается на общую теорию относительности. Но сама ОТО экспериментально не подтверждена для условий сверхмассивных чёрных дыр.

Что такое чёрная дыра

После истощения запасов ядерного топлива термоядерные реакции затухают, и звезда начинает испытывать сжатие. Сильнее всего сжимается ядро, разогреваясь при этом само и разогревая окружающую оболочку. Из-за этого происходит потеря верхних слоёв звезды. Они либо относительно медленно расширяются, как планетарная туманность, либо очень быстро сбрасываются в виде взрыва сверхновой. Дальнейшую судьбу ядра решает масса звезды. Если она не больше трёх солнечных, то вырожденное вещество остановит сжатие, превратив обычную звезду в нейтронную или в белый карлик. При более массивном ядре катастрофического коллапса не избежать, и ядро сожмётся настолько сильно, станет чёрной дырой. Если наше светило когда-нибудь станет таким телом, то радиус его составит 8,8 км.

Горизонтом событий является граница области, из которой не могут вырваться объекты даже со световыми скоростями. А размер этой области получил название: гравитационный радиус.

Обнаружение чёрных дыр

Обнаружить чёрную дыру возможно, если она входила в состав двойной системы, где две горячие звезды обращались вокруг центра масс. В этом случае на оставшуюся звезду будет оказываться воздействие. В такой системе вещество из звезды будет перетекать в чёрную дыру (черная дыра буквально будет «пожирать» звезду).

Вещество закрутится в спираль, а в воронке дыры произойдёт уплотнение и его разогрев. Нагрев будет продолжаться до возникновения волнового излучения в рентгеновском диапазоне. По характеру этого излучения можно понять, какой объект наблюдается. Также, черная дыра, пролетая возле звезды, отклоняет ее с обычной траектории своей колоссальной гравитацией, тем самым выявляя себя. Чёрные дыры, не имеющие напарника-звезду, также существуют в теоретических расчётах.

Cверхмассивные чёрные дыры

Все галактики, и наша тоже, имеют в своём центре чёрные дыры невероятных масс. Такие выводы сделаны на основании наблюдений движения межзвёздного газа и близких звезд. Звёзды и газ в своём вращательном движении испытывают влияние массивных тел. Расчёты показывают, что такие объекты должны иметь громадные массы при небольших размерах. Только чёрной дыре под силу так закручивать вещество. Получается, что центр любой галактики и есть чёрная дыра. И массы их – миллионы и миллиарды масс Солнца. Все наблюдаемые звёздные системы со свойствами чёрных дыр имеют массы 4 – 16 солнечных. Исходя из теории эволюции, можно заключить, что в нашей галактике за 12 млрд. лет её жизни должны были образоваться десятки миллионов этих суперплотных объектов. Астрономические наблюдения это подтверждают, но природа появления таких сверхгигантских чёрных дыр пока не ясна.

Большой взрыв вполне мог способствовать появлению этих объектов, потому что тогда плотность материи была очень высокой. Но небольшие дыры наверняка испарились, теряя массу посредством излучений и потоков частиц. До наших времён могли дожить лишь тела, массы которых были больше 10¹² кг. Нынешний размер таких объектов сопоставим с протоном или нейтроном.

Теория струн допускает рождение чёрных дыр микроскопических размеров от столкновения двух частиц (например, протонов). При ударе возможно их сильное сжатие, достаточное для появления микродыры. Но время жизни её ничтожно.

Свойства

Чёрные дыры создают невероятные гравитационные поля, поэтому пространству и времени возле них оставаться в обычном состоянии не удаётся. Геометрия этих величин искривляется. Чем ближе к массивному объекту, тем более заметно искривление. У самой чёрной дыры световые лучи огибают её по окружности.

За очень малое время вещество за горизонтом событий съёживается в точку – сингулярность. В ней плотность и тяготение принимают бесконечные значения. Но всё это верно для обычного, макромира. Микромир ещё не имеет своей квантовой теории гравитации. Рассмотрим некоторый свойства чёрных дыр, вытекающих из положений ОТО.

1. Время возле чёрных дыр протекает медленнее, нежели вдали от них. Если наблюдать за предметом, брошенным в этот объект, то движение предмета будет замедляться, а видимость его ослабляться. В конце он остановится и станет невидимым. Но если наблюдатель сам прыгнет туда, то мгновенно упадёт в центр дыры, а гравитационные силы разорвут его моментально.
2. Интересное свойство — после преодоления горизонта событий: чем сильнее вы будете сопротивляться гравитации чёрной дыры и стремиться улететь подальше, тем быстрее вы упадёте в неё. Тяжело себе такое представить, согласитесь…
3. Неважно, какую конфигурацию имело тело до сжатия, но после этого процесса можно исследовать лишь три его параметра. Это электрический заряд, полная масса и момент импульса. Остальные характеристики тела будут стёрты. Невозможно установить исходные параметры чёрной дыры – её форму, состав вещества (или антивещества).
4. Чёрная дыра сохраняет гравитационное вихревое поле, если исходный объект вращался. Любое вращающееся тело – и Земля тоже – обладает таким эффектом. Вихревое поле усиливается с приближением к горизонту чёрной дыры. Перед самым горизонтом находится поверхность – предел статичности. Здесь всё движется по орбите в направлении вращения дыры. Между пределом статичности и горизонтом находится эргосфера. Только из этой области возможен выход частиц в пространство, уносящих энергию вращения.
5. Всё, попадающее за горизонт событий, обязательно падает к центру, где находится сингулярность, имеющая бесконечную плотность. Это место, где уже не работают законы физики и классические концепции пространства и времени.
6. С. Хоккинг сумел открыть испарения чёрных дыр. Это справедливо для дыр небольшой массы. Мощная гравитация около дыры рождает пары частиц и античастиц. Один из участников пары втягивается дырой, а другой исторгается наружу. Получается, что чёрная дыра, имеющая массу 10¹²кг, будет иметь свойства тела с температурой 10¹¹ К, которое излучает жёсткие частицы и гамма-кванты.

Методы измерения сверхмассивных объектов

Основные способы определения масс и размеров таких тел основываются на изучении и измерении параметров орбит объектов, вращающихся вокруг них.

• Прямое измерение радиоисточника. Такой источник, находящийся возле горизонта событий чёрной дыры, будет похож на смазанное пятно, которое усилено гравитационной линзой.
• Отношение массы и светимости. Сверхмассивные дыры можно отыскать, исследуя распределение яркости и скорость движения звёзд по отношению к расстоянию до галактического центра. Наличие в центре галактики сверхмассивного объекта может подтвердить высокое отношение массы к светимости. Но этот метод имеет нюанс: все нужные признаки могут указывать и на скопления карликов (белых и коричневых), нейтронных звёзд или чёрных дыр обычных масс.
• Определение скорости вращении газа. Современные приборы позволяют наблюдать отдельные объекты вблизи галактических центров и измерять скорости их движения. В частности, на космическом телескопе «Хаббл» установлен спектрограф FOS, с помощью которого была определена вращающаяся структура газов в центральной части галактики М87.
• Измеренная скорость микроволновых источников. Интерферометр с сетью радиотелескопов позволяет наблюдать галактический центр с угловым разрешением 0″,001. В небольшой дискообразной структуре, имеющей радиус 10 св. лет, отыскались 17 небольших источников. По характеру их вращения, масса центрального объекта была определена как 4^.10⁷ солнечных при верхнем пределе радиуса ядра в 0,04 св. года.
• Наблюдения за траекториями звёзд. Проведение наблюдений в инфракрасных лучах имеет хорошую эффективность. Это даёт возможность измерять точные параметры движения звёзд, которые позволяют определить характеристики тела, находящегося в центре галактики. Результатом наблюдения отдельных звёзд в центральной части нашей галактики стало определение их возраста. Из этого следует, что вблизи сверхмассивных чёрных дыр идёт процесс активного звёздообразования. Из данных, полученных этим методом, следует, что в центре Млечного Пути находится объект массой 4·10⁶ солнечных, а радиус его 0,08 а.е. И это почти наверняка чёрная дыра.

Исчезновение информации

Это очень интересная проблема. Классическая теория гравитации предполагает, что черную дыру невозможно ни уменьшить, ни уничтожить. Она может только увеличиваться. Из этого следует, что информация, попавшая внутрь монстра, не исчезает. Она остаётся в целости, но недоступна для наружного наблюдателя. Можно допустить, что чёрная дыра – окошко в параллельную вселенную. Тогда пропавшая информация вполне может отыскаться там. Однако эти допущения не увязываются с современной квантовой теорией, из которой следует, что дыры испаряются.

Испарение чёрных дыр

Гипотетическое испарение, или испускание фотонов, носит название: излучение Хокинга. Такие процессы имеют чисто теоретические обоснования. Исходя из них, дыры, образовавшиеся при рождении Вселенной и имеющие массы 10¹²кг, к нашему времени должны полностью испариться. Поскольку интенсивность испарения возрастает с уменьшением размера дыры, то процесс должен закончиться взрывом. Пока такие случаи неизвестны.

Столкновение чёрных дыр

Если две чёрные дыры столкнутся, то должно произойти их слияние. Это событие будет сопровождаться излучением волн гравитации. По величине такая энергия составит несколько процентов от суммарной массы дыр. Пока отслеживание таких столкновений затруднено. Они происходят очень далеко от Земли, и приходящий сигнал достаточно слаб. Однако такие явления должны быть самыми интенсивными излучателями гравитационных волн (существование которых пока экспериментально не подтверждено).

Никто не знает наверняка, что мы увидим, приблизившись к чёрной дыре. Но вполне возможно, что она не такая и чёрная. Вещество, летящее на её поверхность, разгоняется и разогревается, и, перед тем, как нырнуть за горизонт событий, должно светиться. Поэтому перед нами будет не круглый тёмный вырез в пространстве, а сияющий ореол, похожий на солнце в момент его полного затмения.