Из всех порождений человеческого разума, одно из самых фантастичных, наверное, — это черная дыра: дыра в пространстве с резко очерченными границами, в которую проваливается все, что оказывается поблизости, но из которой ничего не может выйти обратно, дыра с настолько мощной силой тяготения, что даже свет оказывается пойманным в ее объятиях, дыра, которая искривляет пространство и сворачивает время. Черные дыры больше подходят миру научной фантастики и древних мифов, чем реальной Вселенной. Тем не менее, существование черных дыр надежно предсказывается доказанными законами физики. Только в нашей галактике их может быть миллионы, но их чернота прячет их от наших взоров. Обнаружение черных дыр вызывает у астрономов большие трудности.

Сверх масивная чёрная дыра. Исследователи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (США) впервые зимой 2021 года отчетливо зафиксировали случай движения сверхмассивной черной дыры в космическом пространстве.

Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский физик-теоретик Джон Уилер. В 1972 г. астрофизики обнаружили и идентифицировали с помощью рентгеновских лучей первую черную дыру в далеком пространстве: Х-1 Лебедя, на расстоянии 6000 световых лет от Земли.

Английский естествоиспытатель Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в журнал "Философские труды Лондонского Королевского общества" свою работу, в которой он указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное ноле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их гравитационное притяжение.

Джон Митчелл 1724-1793 священник, видный английский естествоиспытатель. Он родился в деревне Торнхилл (графство Йоркшир), получил образование в Колледже Королев Кембриджского университета, Англия. Занимался астрономией, оптикой и гравитацией, будучи одновременно теоретиком и экспериментатором.

Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела и французский ученый Лаплас высказал, по-видимому, независимо от него аналогичное предположение.

Жизненный цикл звезды

Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равновесие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжимается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньшее возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце 20-х годов нашего века.

В 1928 г. Субраманьян Чандрасекар, аспирант из Индии, отправился по морю в Англию, в Кембридж, чтобы пройти там курс обучения у крупнейшего специалиста в области общей теории относительности Артура Эддингтона.

Субраманьян Чандрасекар (1910—1995) - американский астрофизик и физик-теоретик индийского происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике. Член Лондонского королевского общества, Национальной академии наук США, а также ряда академий наук и научных обществ, в том числе Индийской академии наук.

Во время своего путешествия из Индии Чандрасекар вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав целиком свое топливо, она все же могла бы противостоять воздействию собственных гравитационных сил. Чандрасекар рассуждал так. Когда звезда уменьшается, частицы вещества очень сильно сближаются друг с другом, и в силу принципа запрета (исключения) Паули их скорости должны все больше различаться. Следовательно, частицы стремятся разойтись и звезда расширяется. Таким образом, радиус звезды может удерживаться постоянным благодаря равновесию между гравитационным притяжением и возникающим в силу принципа Паули отталкиванием, точь-в-точь как на более ранней стадии развития звезды гравитационные силы уравновешивались ее тепловым расширением. Однако Чандрасекар понимал, что отталкивание, обусловленное принципом Паули, не беспредельно. Согласно теории относительности, максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света. Это значит, что, когда звезда становится достаточно плотной, отталкивание, обусловленное принципом Паули, должно стать меньше, чем гравитационное притяжение. Чандрасекар рассчитал, что если масса холодной звезды более чем в полтора раза превышает массу Солнца, то эта звезда не сможет противостоять собственной гравитации. (Данное значение массы сейчас называют пределом Чандрасекара). Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал советский физик Л. Д. Ландау.

Ландау Лев Давидович (1908 - 1968) советский физик-теоретик, основатель научной школы, академик АН СССР. Лауреат Нобелевской премии по физике 1962 года. Герой Социалистического Труда. Один из крупнейших физиков прошедшего XX в. Лев Давидович Ландау был в то же время величайшим универсалом, внесшим фундаментальный вклад в самые различные области: квантовую механику, физику твердого тела, теорию магнетизма, теорию фазовых переходов, ядерную физику и физику элементарных частиц, квантовую электродинамику, физику низких температур, гидродинамику, теорию атомных столкновений, теорию химических реакций и ряд других дисциплин.

Выводы Чандрасекара и Ландау имели важные следствия относительно судьбы звезд с большой массой. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, то она в конце концов может перестать сокращаться, превратившись в белого карлика – одно из возможных конечных состояний звезды.

Белый карлик - звезда-Алмаз PSR j2222-0137

Белый карлик имеет в радиусе несколько тысяч километров, плотность сотни тонн на куб см и удерживается в равновесии благодаря отталкиванию электронов в его веществе, отталкиванию, которое возникает из-за принципа Паули. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса – самой яркой звезды на ночном небе.

Ландау теоретически предсказал, что звезда, предельная масса которой равна одной-двум массам Солнца, может оказаться в другом конечном состоянии - состоянии нейтронной звезды, размеры которой будут даже меньше, чем у белого карлика.   В ней все частицы атомов превращаются в нейтроны, и объект стабилизируется в размерах. Их радиус не больше нескольких десятков километров, а плотность – сотни миллионов тонн на куб см. Когда Ландау предсказал нейтронные звезды, наблюдать их никто не мог, а реальная возможность их наблюдения появилась значительно позже.

Если масса звезды значительно превышает предел Чандрасекара, то, когда ее топливо кончается, что происходит с такой звездой в дальнейшем? Чтобы избежать катастрофического гравитационного коллапса, звезда может взорваться или каким-то образом выбросить из себя часть вещества, чтобы масса стала меньше предельной. Трудно, однако, поверить, что такое может происходить со звездами. Уравнения Чандрасекара позволили предположить, что если звезда имеет достаточно большую массу, ее огромная гравитация заставит электроны разгоняться до скорости света. Это сделает звездный материал более мягким. И это означает возможность дальнейшего гравитационного коллапса звезды, когда произойдет гравитационный коллапс и плотность звезды станет бесконечной и она сконцентрируется в ничтожный размер пространства, называемой сингулярностью. Эта сингулярность имеет размер порядка десять в минус тридцать третьей сантиметра (в сто миллиардов миллиардов раз меньше, чем ядро атома).

Самый выдающийся астроном тех дней, сэр Эддингтон был так этим поражен, что отказался верить результату Чандрасекара. Он считал просто невозможным, чтобы звезда сколлапсировала в точку. Он заявил, что существуют законы природы, «которые не допустят, чтобы звезда вела себя столь абсурдно». Такой позиции придерживалось большинство ученых: сам Эйнштейн заявил в своей статье, что звезды не могут сжиматься до нулевых размеров. Враждебное отношение ученых, в особенности Эддингтона, который был первым учителем Чандрасекара и главным авторитетом в исследовании строения звезд, вынудили Чандрасекара оставить работу в прежнем направлении и переключиться на другие задачи астрономии, такие, как движение звездных скоплений. Однако Нобелевская премия 1983 г. была, по крайней мере частично, присуждена Чандрасскару за ранние работы, связанные с предельной массой холодных звезд. Будущее показало что Эддингтон был неправ.

Что должно произойти с коллапсирующей звездой согласно общей теории относительности, первым решил в 1939 г. молодой американский физик Роберт Оппенгеймер.

Роберт Оппенгеймер (1904 - 1967) американский физик-теоретик, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, член Национальной академии наук США. Широко известен как научный руководитель Манхэттенского проекта, в рамках которого в годы Второй мировой войны разрабатывались первые образцы ядерного оружия; из-за этого Оппенгеймера часто называют «отцом атомной бомбы». Aтомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 года; позже Оппенгеймер вспоминал, что в тот момент ему пришли в голову слова из Бхагавадгиты: «Я - смерть, разрушитель миров».

Как это произошло?

Роберта Оппенгеймера общая теория относительности не сильно интересовала. Он в нее верил, как любой здравомыслящий физик, но считал, что для современной науки она не имеет особого значения. По иронии судьбы именно Оппенгеймеру принадлежит открытие черных дыр — одного из самых странных и экзотических предсказаний этой теории.

В 1939 году пытаясь вместе со своим студентом Хартландом Снайдером понять, что происходит в конце жизненного цикла массивных звезд, Оппенгеймер обнаружил странное, находящееся за пределами его понимания решение общей теории относительности, на которое не обращали внимания почти двадцать лет. Он показал, что достаточно большая и плотная звезда будет исчезать из поля зрения. По его словам, через некоторое время «звезда стремится закрыться от любого взаимодействия с удаленным наблюдателем; сохраняется только ее гравитационное поле». Вокруг сжимающегося шара света и энергии как будто возникает таинственная пелена, скрывающая его от внешнего мира, а пространство-время завязывается в невозможно тугой узел. Из этой пелены не может вырваться ничто, даже свет. Вывод Оппенгеймера стал еще одним порожденным уравнениями Эйнштейна математическим курьезом, и многие сочли его слишком сложным для понимания.

По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности. Поэтому световым лучам, испущенным звездой, становится все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным. В конце концов, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет очень сильным, и тогда даже свет не сможет больше выйти наружу. По теории относительности ничто не может двигаться быстрее света; а раз свет не может выйти наружу, то и никакой другой объект не сможет выйти, т. е. все будет втягиваться назад гравитационным полем. Это значит, что существует некое множество событий, т. е. некая область пространства-времени, из которой невозможно выйти наружу и достичь удаленного наблюдателя. Такая область называется сейчас черной дырой.

Границу черной дыры называют горизонтом событий. Она совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют возможность выйти за пределы черной дыры. Сингулярность и запертая в ней звездная материя спрятаны под горизонтом дыры. Сколь бы долго вы не ждали, запертая материя никогда не вырвется наружу, ее не пускает гравитация черной дыры. Запертая материя также никогда не сможет передать вам никакой информации с помощью радиоволн, света или рентгеновских лучей. Для всех практических применений она навсегда ушла из нашей Вселенной. Единственное, что осталось от материи, это мощное гравитационное тяготение, такое сильное на поверхности горизонта и под ним, что ему ничто не может противиться.

"Мы располагаем данными о нескольких черных дырах в системах типа Лебедя Х-1 в нашей Галактике и двух соседних галактиках, которые называются Большим и Малым Магеллановыми Облаками. Но черных дыр почти наверняка гораздо больше: на протяжении долгой истории Вселенной многие звезды должны были израсходовать до конца свое ядерное топливо и сколлапсировать. Число черных дыр вполне может даже превышать число видимых звезд, которое только в нашей Галактике составляет около ста тысяч миллионов. Дополнительное гравитационное притяжение столь большого количества черных дыр могло бы быть причиной того, почему наша Галактика вращается именно с такой скоростью, а не с какой-нибудь другой: массы видимых звезд для объяснения этой скорости недостаточно. Существуют и некоторые данные в пользу того, что в центре нашей Галактики есть черная дыра гораздо большего размера с массой примерно в сто тысяч масс Солнца. Звезды, оказавшиеся в Галактике слишком близко к этой черной дыре, разлетаются на части из-за разницы гравитационных сил на ближней и дальней сторонах звезды. Остатки разлетающихся звезд и газ, выброшенный другими звездами, будут падать по направлению к черной дыре. Как и в случае Лебедя Х-1, газ будет закручиваться по спирали внутрь и разогреваться, правда, не так сильно. Разогрев будет недостаточным для испускания рентгеновского излучения, но им можно объяснить тот крошечный источник радиоволн и инфракрасных лучей, который наблюдается в центре Галактики.
Не исключено, что в центрах квазаров есть такие же черные дыры, но еще больших размеров, с массами около ста миллионов масс Солнца. Только падением вещества в такую сверхмассивную черную дыру можно было бы объяснить, откуда берется энергия мощнейшего излучения, которое исходит из черной дыры. Вещество падает, вращаясь по спирали, внутрь черной дыры и заставляет ее вращаться в том же направлении, в результате чего возникает магнитное поле, похожее на магнитное поле Земли. Падающее внутрь вещество будет рождать около черной дыры частицы очень высокой энергии. Магнитное поле будет настолько сильным, что сможет сфокусировать эти частицы в струи, которые будут вылетать наружу вдоль оси вращения черной дыры, т. е. в направлении ее северного и южного полюсов. У некоторых галактик и квазаров такие струи действительно наблюдаются". С. Хокинг "Черные дыры"

Спасибо за внимание!

Больше интересных статей здесь: Космос.

Источник статьи: Черные дыры - фантастика или реальность?.


Закрыть ☒