Реферат
Выполнила студентка 1 курса 4 группы экономического факультета Болотова Полина
Ульяновская государственная сельскохозяйственнаяакадемия
Введение
“Из всех измышленийчеловеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самоефантастическое — это образ черный дыры, отделенной от остального пространстваопределенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающейнастолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мертвойхваткой; дыры, искривляющей пространство и тормозящей время. Подобно единорогами химерам, черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или вмифах древности, чем в реальной Вселенной. И тем не менее законы современнойфизики фактически требуют, чтобы черные дыры существовали. Возможно, тольконаша Галактика содержит миллионы их” — так сказал о черных дырах американскийфизик К. Торн.
1. Черные дыры
Черные дыры — один изсамых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительностиЭйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнеслитеоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природыпространства-времени.
Давайте начнем с теориивсемирного тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываемпрямо здесь, на поверхности земли. Если подбросить камень, он упадет поддействием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобыон на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второйкосмической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли. Эта«скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при еенынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешнеймассе, скорость выхода была бы выше. Возникает вопрос: что будет, еслиплотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода изего гравитационного поля выше скорости света? Ответ: такое тело будетпредставляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет егопокинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем
/>
где GN — постояннаяНьютона, а с — скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.
Для тех, кто неразбирается в формулах, приведу несколько примеров. Чтобы тело, масса которогоравна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньшесантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра.На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто непридал этому особого значения.
С появлением в 1905 годуспециальной теории относительности у нас появилось понимание того факта, чтоскорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический предел: ничтоне может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учитнас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для наблюдателей, движущихсядруг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоитена улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чутьмедленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как двасветофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Дляводителей же они переключатся не одновременно. Это получается после того, какмы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофорадо наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковойскоростью, но время для них течет медленнее. То есть, время относительно, аскорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям омире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мыобычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, авремя измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарныхчастиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скоростисвета, частицы живут значительно дольше.
Пространство и времяобъединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разномудвумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако обанаблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точныеформулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.
Теперь вернемся кгравитации. Она обладает очень важным свойством, которое открыл еще Галилей:все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. Вбезвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. Вслучае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частицабудет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теориивсемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся подвоздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что силагравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют«принципом эквивалентности».
Эйнштейн осознал, чтотеория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласноньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно.В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решенияестественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепциюЭйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитациявозникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленномпространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначальнопараллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могутсближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экваторомпараллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге,пересекаются в точке Северного полюса. Конфигурация пространства-временизависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительностиподразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно,два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимаютход времени по-разному. Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее,чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимомал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное, что нам нужноусвоить, это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. Вчастности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении отних.
Физики всегда стремятсясначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре послеоткрытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд(Karl Schwarzschield) нашел простейшее сферически симметричное решениеуравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометриипространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии,давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов.Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные отСолнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% отскорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффектрасхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в«центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это«нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа.
Дальнейшие расчетыпоказали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном«центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этойсферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного —для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних наблюдателей за пределамиэтой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любыесигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, припересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часызамедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом».Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрьсферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в еецентре. «Сингулярность» — это область сверхвысокого искривленияпространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будетраздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дырысогласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной ещеЛапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корнеменяется.
Черные дыры могутобразовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, напорядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваютсявнутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данныхнаблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр воВселенной. С астрофизической точки зрения обнаруженные черные дырыподразделяются на две категории. Первый тип — это черные дыры, образовавшиеся врезультате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой.Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно.Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в чернуюдыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерноеизлучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этомявляется другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаясявместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначаламы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результатегравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыраначинает засасывать газ с поверхности горячей звезды. Второй тип — это гораздоболее массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнцав миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается ииспускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-томы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу,имеют в центре свою черную дыру.
Однако основным предметомнашего разговора является не астрофизика черных дыр, а исследование их влиянияна структуру пространства-времени.
Согласно теории Эйнштейначерная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падениев который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.
У черных дыр оченьинтересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будутзависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть,черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства независят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическомсоставе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же.То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации — и никакиминым.
Другое любопытноесвойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс,в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процессстолкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется однаболее массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационныхволн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процессэтот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложнуюсистему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретическиерезультаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда большесуммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слияниичерных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая«теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970году.
2.Образование черных дыр.
Процессы образованияпервичных черных дыр с массой, меньшей солнечной, могли происходить лишь вадронную эру, когда средняя плотность вещества была достаточно высока.Первичных черных дыр образуется тем больше, тем больше была амплитуда начальныхнеоднородностей и чем “мягче” уравнения состояния вещества в момент ихобразования. Дальнейшая судьба первичных черных дыр зависит от их массы. Черныедыры с массой от 1015 до 1033 г могли бы доживать до настоящего времени иоказаться “живыми свидетелями” процессов, происходивших во времени 10-23—10-5 спосле “большого взрыва”.
Пока в недрах звездыпроисходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру идавление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации.Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, тоона выиграет «битву с гравитацией»: ее гравитационный коллапс будет остановлендавлением «вырожденного» вещества, и звезда навсегда превратится в белый карликили нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничтоне сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонтсобытий, став черной дырой. У сферической черной дыры массы M горизонт событийобразует сферу с окружностью по экватору в 2p раз большей «гравитационногорадиуса» черной дыры RG = 2GM/c2, где c – скорость света, а G – постояннаятяготения. Черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8, 8 км.
Момент превращения звездыв чёрную дыру
Если астроном будетнаблюдать звезду в момент ее превращения в черную дыру, то сначала он увидит, какзвезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности кгравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем.При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока не потухнетсовсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силой тяжести светтеряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя.Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему еесвету потребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя (и при этомфотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном никогда недождется этого момента и тем более не увидит того, что происходит со звездойпод горизонтом событий. Но теоретически этот процесс исследовать можно.
Расчет идеализированногосферического коллапса показывает, что за короткое время звезда сжимается вточку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такуюточку называют «сингулярностью». Более того, общий математический анализпоказывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапсприводит к сингулярности. Однако все это верно лишь в том случае, если общаятеория относительности применима вплоть до очень маленьких пространственныхмасштабов, в чем мы пока не уверены. В микромире действуют квантовые законы, аквантовая теория гравитации пока не создана. Ясно, что квантовые эффекты немогут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появлениесингулярности они могли бы.
Современная теориязвездной эволюции и наши знания о звездном населении Галактики указывают, чтосреди 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черных дыр, образовавшихсяпри коллапсе самых массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой массымогут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей.
Как уже отмечалось, внашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающаясолнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого ок. 15 млрд. летназад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы.Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потерявсвою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» смассой более 1015 г могли сохраниться до наших дней.
Эта трёхмернаяиллюстрация показывает, как вблизи вращающейся чёрной дыры перекручиваютсясиловые линии магнитного поля в падающей на чёрную дыру плазме. Чёрная сфера вцентре рисунка — это сама чёрная дыра, а жёлтая область вокруг неё представляетобласть закрученного пространства. Красные линии показывают силовые линиимагнитного поля, проходящие через область закрученного пространства, а зелёные- силовые линии, ещё не входящие в эту область.
Современныесуперкомпьютеры имитируют мощные энергетические джеты (струи), выходящие изчёрных дыр — самых экзотических и мощных объектов во Вселенной.
«Эти исследованияпомогут нам открыть загадку чёрных дыр и подтвердить, что вследствие ихвращения действительно происходит выход энергии, » — говорит астрофизикДэвид Мейер (David Meier), один из соавторов статьи, которая скоро выйдет вмеждународном научном журнале Science.
Чёрные дыры — этосверхплотные объекты с такой сильной гравитацией, что даже свет не может из нихвыйти. Чёрные дыры захватывают в себя звёзды и любое другое, приблизившееся кним, вещество, включая другие чёрные дыры. Эти необычные объекты образуютсяодним из двух способов — при коллапсе звезды или когда много звёзд и чёрных дырколлапсируют вместе в ядре галактики.
Оба типа чёрных дыр могутвращаться очень быстро, увлекая за собой пространство вокруг них. Когда многовещества падает на чёрную дыру, оно закручивается как в водовороте. С помощьюрентгеновских и радио-наблюдений астрономы могут быть свидетелями таких событий,в том числе и струй из чёрных дыр, но они не могут увидеть саму чёрную дыру.
/>«Мы не можем совершитьпутешествие к чёрной дыре, и мы не можем сделать её в лаборатории — поэтому мыиспользуем суперкомпьютеры, » — продолжает Мейер. С помощью компьютеровучёные объединяют данные о плазме, падающей на чёрную дыру, и свои познаниятого, как гравитация и магнитные поля могут воздействовать на плазму. Учёныетакже исследуют способы того, как магнитное поле может использовать энергиювращения чёрной дыры и образовывать мощные струи.
На этих картинкахпредставлена компьютерная эволюция чёрной дыры. Слева вверху — плазма покамедленно падает по направлению к чёрной дыре, силовые линии магнитного поля вплазме показаны белыми линиями. На следующих картинках движение плазмы сильноускоряется.Однако, вращающаяся чёрная дыра закручивает само пространство (исиловые линии магнитного поля) и испускает мощное электромагнитное излучениевдоль северного и южного полюсов (показано красным и белым цветом), котороезахватывает с собой частицы плазмы и образует струи.
Феномен струй былпредсказан Роджером Блэндфордом и Романом Знажеком в 1970-х годах. Новыекомпьютерные исследования подтверждают это предсказание. Последние работы былипроведены в конце 2001-го года с помощью суперкомпьютера японского институтаNational Institute for Fusion Science.
Объекты со струями вядрах галатик были идентифицированы в начале 1900-х годов. В 1960-х годахучёные исследовали возможность того, что этими объекты со струями могут бытьсверхмассивные чёрные дыры с массами от одного миллиона до несколькихмиллиардов масс Солнца.
В 1990-х годах былоустановлено, что такие струи могут испукаться менее массивными чёрными дырами вдвойных звёздных системах. Чёрная дыра с массой в десять масс Солнца можетобразоваться при коллапсе звезды массой от 20 до 30 масс Солнца. При этомобразуется крошечный невидимый объект размером всего лишь в несколькокилометров, но с очень мощным гравитационным полем. Сверхмассивные чёрные дырыобразуются при коллапсе большого количества звёзд и чёрных дыр в ядрахгалактик.
3.Свойства чёрных дыр
Черные дыры имеют многовесьма экстравагантных свойств, которыми не обладают другие звезды, даже оченьэкзотические, вроде нейтронных. Прежде всего, они являются звездами-невидимками.Для того чтобы можно было увидеть предмет, надо, чтобы от него к нам поступилвидимый свет. Если предмет невидим в видимом свете, то надо иметь возможностьзарегистрировать другое излучение, которое исходит от него: инфракрасное, рентгеновское,радио и т.д. Так вот, очень плотные звезды, которые были названы черными дырами,не посылают в окружающее их пространство абсолютно никакого излучения, поэтомуони невидимы ни в каких лучах. Для наблюдателя их просто нет. Само по себе этоуже очень странно, поскольку объект, имеющий определенную массу и температуру, что-тодолжен излучать. Тем более что температура черных дыр может достигатьмиллиардов градусов. В чем дело?
Такую ситуацию предвиделеще знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. Он описал ее в своейкниге «Изложение систем мира», которая вышла в свет в 1795 году. Онрассуждал так. Если для того, чтобы оторваться от данного космического объекта,тело должно иметь скорость (первую космическую скорость) не меньше строго определеннойвеличины, которая определяется массой этого объекта, то при слишком большой егомассе скорость тела должна превысить скорость света для того, чтобы оторватьсяот объекта. Цифры говорят о следующем. Первая космическая скорость на Землеравна 7, 2 км/с, на Луне — 2, 4, на поверхности Юпитера — 61 и на Солнце — 620км/с. На нейтронной звезде она должна достигать половины скорости света (150тысяч километров в секунду). Таким образом, если масса звезды еще больше, топервая космическая скорость может превысить скорость света. Эти рассужденияприменимы одинаковым образом и к телам, и к фотонам, то есть свету. Если массазвезды такова, что первая космическая скорость для нее должна быть большескорости света, то свет от этой звезды исходить не может, он не можетоторваться от нее, поскольку его скорость меньше первой космической скорости ине может быть ей равна (скорость света не может быть больше скорости света).Лаплас рассчитал, какая это должна быть масса небесного объекта (звезды илипланеты). Он писал в указанной книге: «Светящаяся звезда с плотностью, равнойплотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ниодному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения: поэтому возможно, чтосамые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причиненевидимыми». Так что, казалось бы, объяснение первого и самогоэкзотического свойства черной дыры было найдено еще за полтора столетия до ееоткрытия. Но это и так, и не так. Если говорить строго, то ситуацию при стольбольших силах гравитации надо описывать уравнениями не механики Ньютона, атеории тяготения Эйнштейна. Поэтому, строго говоря, расчеты Лапласа, основанныена космической механике, неверны, а лучше сказать, неточны. Но, тем не менее, массуи размеры звезды, которая должна сжиматься и превратиться в черную дыру, онуказал правильно. Это случилось потому, что в данном случае в теории тяготенияЭйнштейна справедлива та же формула, что и в теории Ньютона.
Все свойства черных дырмогут быть получены только из теории тяготения Эйнштейна, которая содержится вего обшей теории относительности.
В начале нашего века, когдабыла создана Эйнштейном общая теория относительности, никто не был готов к еевосприятию, включая крупных ученых: слишком сильно на всех давил здравый смысл.Но прошедшие десятилетия сделали свое дело: теорию относительности изучают всредней школе, а в обыденном разговоре то и дело можно услышать: «Все вмире относительно». Так что же происходит при сильном сжатии звезды, еслиследовать теории относительности Эйнштейна?
При сжатии звезды (ссохранением ее массы) ее радиус уменьшается, а сила тяготения увеличивается.Это естественно. Когда радиус станет равным нулю,.сила тяготения должна статьбесконечно большой. Это следует из теории тяготения Ньютона. По теории А.Эйнштейна сила притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиусуменьшится до нуля. То есть она нарастает с уменьшением радиуса быстрее, чем потеории Ньютона. Тот радиус, при достижении которого сила тяготения стремится кбесконечности, принято называть гравитационным радиусом. Подчеркнем еще раз, чтопо классическим представлениям, он равен нулю.
Чем меньше масса тела, темменьше его гравитационный радиус. Например, для нашей Земли он равен 1 сантиметру, для Солнца он равен 3 километрам. Различия между классической теорией и теориейотносительности проявляются тогда, когда истинный радиус звезды близок кгравитационному радиусу. Пока различие между ними большое, нет необходимостипривлекать теорию тяготения А. Эйнштейна, а можно спокойно пользоватьсяклассическими уравнениями Ньютона, как это и делал П. Лаплас.
Теория относительности А.Эйнштейна устанавливает взаимоотношения между силами гравитации, течением времении геометрическими свойствами пространства. Из нее следует, что в сильномгравитационном поле время замедляется относительно тех мест, где силыгравитации малы. Так, вблизи Земли время течет на одну миллиардную частьмедленнее, чем в далеком космосе. Ясно, почему мы этого не замечаем. Дажевблизи массивных звезд это замедление времени неощутимо. Оно сразу дает о себезнать, когда масса звезды очень велика, а радиус очень мал, то есть приприближении к гравитационному радиусу. Но с силами гравитации связано не тольковремя, но и пространство. В соответствии с теорией относительности пространствоискривляется в гравитационном поле. Чем больше это поле, тем сильнееискривление. Приводится даже такое наглядное сравнение. Идеальную плоскость впространстве делают из тонкой резиновой нервущейся пленки. На нее опускаютметаллический шар (черную дыру) и под его весом пленка прогибается. Такиллюстрируют искривление пространства под действием гравитационного полямассивной черной дыры. Надо сказать, что как замедление времени, так иискривление пространства вблизи сильных полей гравитации были измерены. Втеории относительности существовавшие до этого по отдельности понятияабсолютного времени и абсолютного пространства объединены в одно понятие«пространство — время», поскольку они взаимосвязаны через полегравитации.
Значение гравитационногорадиуса было рассчитано по уравнениям теории тяготения Эйнштейна спустя месяцпосле опубликования теории в 1915 году немецким астрономом и математиком К.Шварцшильдом. С тех пор этот радиус носит его имя. Шварцшильд получил решенияуравнений Ньютона для сферического не вращающегося тела и основные свойствачерной дыры, хотя в то время ни он, ни А. Эйнштейн, которому он передал работу,еще не подозревали о таком приложении результатов.
Пока силы гравитациисжимают звезду и ее радиус больше радиуса Шварцшильда, силам гравитациипротиводействуют силы внутреннего давления звезды. Эти силы неспособныпротивостоять сжимающей звезду силе гравитации в том случае, если ее радиусуменьшится до гравитационного радиуса. Произойдет сжатие вещества звезды, котороефизики назвали релятивистским коллапсом. Собственно, и черные дыры длительноевремя назывались коллапсами и только в конце шестидесятых годов с легкой рукиамериканского физика Д. Уилера их стали называть так.
Напрашивается вывод, чтоесли каким-либо образом сжать звезду или планету до размеров ее гравитационногорадиуса, то дальше усилия можно не прилагать — она скол-лапсирует сама ипревратится в черную дыру. Для этого требуется немного— сжать, например, Солнцедо радиуса в 3 километра.
Строгий расчетрелятивистского гравитационного коллапса на основании решения уравнений общейтеории относительности был выполнен в 1939 году американскими учеными Р. Оппенгеймероми Г. Волковым. Это было строгое, теоретически обоснованное предсказаниесуществования черной дыры. Ясно, что ни Шварцшильд, ни тем более Лаплас непредсказали существование черных дыр со всеми их свойствами.
Границей черной дырыявляется сфера с радиусом Шварцшильда. Чем ближе к этой границе приближаетсяизлучающее тело, тем большее влияние на него оказывают силы гравитации. И нетолько на него, но и на излучение. Фотоны, составляющие это излучение, уменьшаютсвою энергию под действием силы гравитации черной дыры. Часть их энергии уходитна противоборство с этой силой. Уменьшение энергии фотона означает уменьшениеего частоты.
Другими словами, частотаизлучения смещается в сторону красного края спектра видимого излучения. Говорят,что излучение «краснеет». Если бы фотонам кто-то добавлял энергию, тоизлучение бы «голубело». Покраснение излучения, как мы уже знаем, происходити в результате действия эффекта Доплера. Только рассматриваемое здесь красноесмещение, в отличие от доплеровского, называют гравитационным. Оно обусловленозамедлением времени вблизи черной дыры под действием сил гравитации. Оченьважно уловить смысл происходящего: приближающаяся к черной дыре звезда излучаеттакие же (белые) фотоны, что и на большом удалении от черной дыры, но удаленныйнаблюдатель увидит их покрасневшими, так как при движении к нему онизамедляются, то есть уменьшают свою энергию. Когда звезда приблизится к границечерной дыры, далекий наблюдатель вообще перестанет ее видеть. Для него времяздесь практически останавливается. Звезда для далекого наблюдателя потухает застотысячную долю секунды. Мы упоминаем далекого наблюдателя не случайно. Часынаблюдателя, который находится на движущейся звезде, никакого замедлениявремени не отметят. Его нет. Оно есть только у удаленного наблюдателя, которыйполучает всю информацию о ходе времени с помощью света, а свет его подводит, посколькускорость фотонов замедляется, и они приходят позже обычного (когда на них недействует гравитация черной дыры).
По классической теориитяготения Ньютона одно тело, двигаясь вблизи другого, описывает разныетраектории, имеющие в разных случаях форму гиперболы, параболы или эллипса.Ясно, что никаких особенностей в этом плане вблизи черной дыры из классическоймеханики не следует. Но они следуют из теории относительности. Так, замкнутая вклассическом случае эллиптическая траектория одного тела около другогостановится незамкнутой, если этим другим телом является черная дыра.Пролетающее тело навивает траектории вокруг черной дыры, то приближаясь, тоудаляясь от нее, но на свою старую траекторию не возвращается. Кстати, всетраектории при этом располагаются в одной плоскости. Если траектория тела неподходит очень близко к черной дыре, то ее можно представить в видеповорачивающегося эллипса. Он имеется и у планет нашей Солнечной системы. Носоставляет он за сто лет менее одной угловой минуты. Тем не менее он былизмерен и было показано, что он точно соответствует теории относительности.Черная дыра изменяет не только траекторию движущейся вблизи нее частицы, но иее скорость. Вблизи черной дыры частица старается двигаться быстрее. Если онапопадает на удаление гравитационного радиуса, то она должна двигаться соскоростью света. Ясно, что ближе частица двигаться по кругу не может, так какдля этого ей надо превысить скорость света.
Но движение тела вокругдыры на расстояниях ближе чем три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтомуоно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению дви-жения ичастица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или жеулетает в направлении от дыры.
Если тело летит изкосмоса вблизи черной дыры, то оно может быть ею захвачено. Пролетая мимочерной дыры, тело может обернуться вокруг дыры несколько раз и снова улететь вкосмическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близкок окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам. Но еслионо село на эту окружность, то его орбита будет навиваться на нее. Это тело уженикуда от черной дыры не денется, она его гравитационно захватила. Еще болееблизкий подход тела к черной дыре чреват катастрофическими для негопоследствиями — оно упадет в черную дыру.
Движущееся вокруг чернойдыры тело излучает гравитационные волны. Вообще все небесные тела при своем движенииизлучают гравитационные волны. Но они несут очень малую энергию, и пока что ихне удается замерить. Но если тело движется вокруг черной дыры, то излученные имза это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию(в шесть раз больше, чем при ядерном синтезе, когда в энергию превращаетсятолько один процент массы вещества).
Движение фотонов околочерной дыры также непроизвольно, Они могут подступиться к дыре не ближе чем наполтора гравитационных радиуса. Но это движение фотона неустойчиво, и он можетбыть сбит с траектории в ту или другую сторону. Ясно, что фотоны, как и тела, будутзахвачены черной дырой, если подойдут к ней очень близко (ближе полуторагравитационных радиусов). Луч будет навиваться (как на клубок) на черную дыру, еслиего траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил ещеближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру. При удаленииизлучения от. черной дыры происходит его покраснение, при приближении фотонов кдыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдательдолжен заметить поголубение света. Но для этого фотоны должны подойти оченьблизко к сфере Шварцщильда. Многочисленные теоретические исследования различныхаспектов проблемы черных дыр позволили установить, что определяющей (и пожалуй,даже единственной) характеристикой черных дыр является их масса. В чем-тодругом отличия в них нет. Можно сказать, что черные дыры с одинаковой массойявляются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то былопоказано, что они должны быть идеально сферическими. Любое отклонение отсферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения. Кстати, дыры сбрасываюттакже все возможные поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения,а также сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им доэтого обладала). Кроме массы (это главное!) и электрического заряда черные дыры,вообще-то, характеризуются и характером их вращения. Ведь вращение определеннымобразом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокругнее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационноеполе целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трехпараметров звезды: ее радиуса, массы и скорости вращения на экваторе). Из-завращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дырынесколько расширяется, она выходит за пределы сферы Шварцшильда. СферуШварцшильда принято называть горизонтом (за ним черная дыра, то есть уже ничегоне видно). Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечнобольшой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названаграницей эргосферы. Ее принципиальное отличие от горизонта состоит в том, чтоиз-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зонемежду горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательноедвижение (если они не двигались первоначально супротив него), но могут стечением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно запределы эргосферы.
Таким образом, вращениечерной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является еегоризонт, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большаяскорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальнаялинейная скорость равна скорости света.
Можно сказать, что черныедыры не представляют собой небесные тела в общепринятом смысле. Они не являютсяи излучением. Это действительно дыры во времени и пространстве, которыеобразуются в результате того, что в сильно увеличивающемся гравитационном полеочень сильно искривляется пространство и изменяется характер течения времени.
Возникает естественныйвопрос: как обнаружить черную дыру? Теоретики предположили, как им казалось, многотаких возможностей, но на их проверку труд экспериментаторов был потерянбезрезультатно. На сегодняшний день реализовалась одна из этих возможностей.Суть ее состоит в том, что черную дыру следует искать в двойных звездныхсистемах. Она должна выдать себя по рентгеновскому излучению, которое должнонеизбежно возникать при падении газа из атмосферы «нормальной»звезды. Этот газ должен закручиваться за счет движения звезд по орбите иодновременно сплющиваться в диск под действием центробежных и гравитационныхсил.
Экспериментаторыостановили свое внимание на такой двойной системе, расположенной в созвездииЛебедя. Этот источник назван Лебедь Х-1 (здесь X от названия рентгеновских, тоесть Х-лучей). Двойная звездная система Лебедь Х-1 состоит из нормальнойвидимой массивной звезды, масса которой в 20 раз больше массы Солнца. Парная ейзвезда имеет массу, равную десяти массам Солнца. Но она является отжившей.Именно из ее окрестностей исходит рентгеновское излучение. Обе эти звезды какединое целое обращаются вокруг центра масс с периодом 5, 6 суток. Процесспротекает так. Газ из атмосферы звезды-гиганта притягивается черной дырой.Орбитальным движением дыры его траектории закручиваются вокруг нее. Траекториягаза представляет собой сходящуюся к центру черной дыры спираль. Движение газак центру дыры происходит намного медленнее, чем вокруг нее. Поэтому достижениегазом черной дыры по такой неэкономичной орбите происходит только через месяц.Достигнув края черной дыры, газ сваливается в дыру, поскольку там проявляетсянеустойчивость движения. Пока газ движется по направлению к дыре, он сильнонагревается. Это происходит в результате трения относительно холодных наружныхслоев диска (температура газа здесь всего несколько десятков тысяч градусов) сгорячими внутренними его частями, где температура газа достигает десятимиллионов градусов. Этот газ светит в рентгеновских лучах очень интенсивно, втысячи раз сильнее, чем Солнце (во всех диапазонах спектра). То рентгеновскоеизлучение, которое регистрируют приборы на Земле, происходит из очень тонкогослоя (200 километров), расположенного во внутренней части диска. Рентгеновскоеизлучение от источника Лебедь Х-1 изменяется очень быстро, но хаотически. Егоинтенсивность меняется за тысячные доли секунды. Это может происходить только втом случае, если излучающий объект является очень малым, как черная дыра. Еслибы вместо звезды, которую мы принимаем за черную дыру, была большая по размерамзвезда, то такие быстрые изменения ее яркости в рентгеновских лучах были бынепонятны.
Таким образом, имеетсяпочти полная уверенность, что невидимая звезда в созвездии Лебедь под номеромХ-1 является черной дырой. Но «почти» остается. Астрофизики неторопятся с ним расставаться, поскольку вопрос слишком серьезный, чтобы можнобыло позволить себе ошибиться.
Открыто еще несколькоисточников рентгеновского излучения, которые по своим свойствам подобныописанному выше. А вообще-то, считается, что во Вселенной имеется многомиллионов черных дыр, а возможно, число их исчисляется даже миллиардами.
Теперь перейдем к вопросуо том, в каких процессах могут погибать черные дыры. Теоретически считают, чтоони могут исчезать в результате определенных квантовых процессов, которыевозможны только в сильном гравитационном поле. После того как из данногообъекта мы убрали абсолютно все частицы и удалили любые возможные кванты, можносчитать, что там имеется физический вакуум. Физический вакуум отличается отпустоты тем, что он имеет потенциальную возможность рождать виртуальные частицыи античастицы, которые из этого объема убрать никакими средствами невозможно.Это значит, что пустоты как таковой вообще нет. Чтобы виртуальные частицы (этипризраки) могли превратиться в реальные частицы, им надо сообщить энергию(вдохнуть душу). Но эта энергия должна быть привнесена извне. Надо сказать, чтовиртуальные частицы живут в замкнутом цикле: на миг появляются частица иантичастица и тут же сливаются и исчезают. В вакууме таких частиц множество.Это установлено прямыми измерениями. Энергию к виртуальным частицам, необходимуюим для того, чтобы они превратились в настоящие частицы, может передать любоеполе, в том числе электромагнитное. Но таким полем может быть и гравитационноеполе, что для нашего рассмотрения очень важно. Среди виртуальных частиц имеютсяи виртуальные фотоны, то есть частицы (кванты) электромагнитного поля. Сильноегравитационное поле приводит к превращению их в истинные, реальные фотоны.Точнее, изменение гравитационного поля во времени приводит к рождению фотонов, частотакоторых однозначно связана с частотой колебаний (изменений) гравитационногополя. Чтобы эффект был заметен, он должен протекать в сильном гравитационномполе. Попутно скажем, что электроны и позитроны рождаются из физическоговакуума под действием очень сильного электрического поля.
Из сказанного выше ясно, чтов окрестности черных дыр, где имеются очень сильные изменяющиеся во временигравитационные поля, могут рождаться частицы и античастицы. При этом можетоказаться, что частица остается под горизонтом (в пределах черной дыры), аантичастица окажется снаружи относительно горизонта. Эти частицы окажутсяразлученными навечно. Свободная античастица уносит с собой часть энергии чернойдыры.
Установлено, чтотемпература черной дыры обратно пропорционально зависит от ее размеров.Уходящие от черной дыры частицы уносят часть ее энергии (а значит, и массы).Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно.Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс испарениядыры. Так этот процесс будет ускоряться. Температура при этом может достигнуть10" градусов. Это наступает тогда, когда масса черной дыры уменьшится дотысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный взрыву одного миллионаме-гатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование чернаядыра.
Черные дыры — это областипространства с предельно сильными гравитационными полями, для изучения которыхтребуется полный арсенал средств, предоставляемых нам общей теориейотносительности. Возможность открытия черных дыр, этих призрачных и загадочныхобъектов, — вот основная причина того повышенного интереса к теориям тяготения,которую мы наблюдаем сегодня.
4.Внутри черной дыры
Мы не можем наблюдатьвнутренность черной дыры, находясь вне ее. Хотя падающий в черную дыруастронавт и может в принципе производить наблюдения внутри нее, особенно еслион выбрал для исследования сверхмассивную черную дыру, где в его распоряжениибудет несколько часов и даже дней, прежде чем приливные силы приведут его кгибели, но он не может передавать нам информацию, не используя (запрещенных!)сверхсветовых сигналов. И тем не менее мы убеждены, что общая теорияотносительности в состоянии правильно описать все происходящее внутри чер нойдыры, за исключением, может быть, самой сингулярности'.
Для описанияпространства-времени мы использовали специальную диаграмму. Один из вариантовтакой диаграммы предложил профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз; спомощью диаграммы Пенроуза на одном листе бумаги можно изобразить и саму чернуюдыру, и всю остальную часть Вселенной.
Любая карта предполагаетнекоторое искажение; например, в известной проекции Меркатора, используемой присоставлении карт Земли, только близкая к экватору область земного шараизображается на карте довольно точно, но, чем дальше к полюсу, тем сильнееискажения. Метод отображений, предложенный Пенроузом (называемый конформнымотображением), позволяет получить картину пространства-времени шварцшильдовскойчерной дыры в таком виде, как показано на рис. 33. Все внешнее по отношению кчерной дыре пространство-время изображено в правом секторе диаграммы, а линии, ограничивающиедиаграмму справа, соответствуют бесконечно удаленным областямпространства-времени, протянувшимся из бесконечного прошлого (нижняя линия) вбесконечное будущее (верхняя линия). Горизонт событий изображают линии, наклоненныек вертикали (направление времени) под углом 45°. В пространственно-временныхдиаграммах, с которыми мы встречались раньше, эти линии соответствовалитраекториям световых лучей. Мировые линии более медленных частиц имеют наклонменьше 45° (т. е. эти частицы движутся по временноподобным линиям). Посколькулуч света, направленный от горизонта событий наружу, остается все время напостоянном расстоянии от сингулярности, хотя падающий в черную дыру наблюдательпродолжает считать, что луч пролетает мимо него со скоростью света (стремитсявверх, но остается на месте), то есть смысл изобразить горизонт событий линиями,имеющими именно такой наклон. Сингулярность изображается горизонтальной линией,ограничивающей диаграмму сверху; сингулярность пространственноподобна.
Частица, падающая начерную дыру, должна двигаться по временноподобной мировой линии, посколькудвижение со сверхсветовыми скоростями, согласно теории, невозможно.
1 Это подтверждается, вчастности, тем, что на своем пути к сингулярности падающий в черную дыруастронавт нигде не превышает локально измеренную скорость света. Согласно жетеории Ньютона, астронавт должен испытывать все возрастающее ускорение, и поэтомуон упадет на сингулярность с бесконечно большой скоростью, безусловнопревышающей скорость света.
Из диаграммы ясно: ничтопопавшее в черную дыру не может избежать падения на центральную сингулярность, посколькудаже внутри дыры частицы должны следовать по линиям, наклоненным к вертикалипод углом меньшим 45°. При этом внутри черной дыры, сразу за горизонтом событий,происходят фундаментальные изменения характера пространства-времени. Если вовнешнем пространстве тела свободны двигаться в произвольном направлении, товнутри черной дыры допустимо единственное движение — к сингулярности иразрушению в ней.
В заключение отметим, чтодиаграмма Пенроуза симметрична; это означает существование второй такой жевселенной по “другую сторону” от черной дыры. Решения уравнений, описывающихпространство-время в окрестности шварц-шильдовской черной дыры, обладаютопределенной симметрией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашуВселенную с другим, аналогичным миром.
Имеет ли этот “другоймир” физический смысл или это чисто математическое следствие решения уравненийполя?.. В случае шварцшильдовской черной дыры этот вопрос носит чистогипотетический характер; мы не можем проникнуть в “ДРУГУЮ вселенную” — послатьтуда или получить оттуда какой-либо сигнал. Все, что попадает в черную дыру, исчезаетв сингулярности. Для совершения путешествия из нашей в другую вселенную илиоттуда в наш мир потребуются сверхсветовые скорости, недопустимые, согласнотеории относительности. Поэтому представление о второй вселенной интересно лишьс математической точки зрения. Тем не менее, возможность взаимосвязи междудвумя мирами через черную дыру, так называемый мост Эйнштейна — Розена (или“кротовая нора”), привлекла к себе пристальное внимание ученых. Возникла мысль,что этот мост связывает не разные миры, а две точки одного—нашей Вселенной. Нодаже если это и так, путешествовать между ними в пространстве-времени с помощьюшварцшильдовских черных дыр мы не сможем, поскольку при этом нам не избежатьсингулярности.
1 Часто встречаютсяматематические задачи, имеющие два решения, одно из которых имеет физическоетолкование, а второе приходится отбрасывать как бессмысленное. Примером можетслужить извлечение квадратного корня из числа; например, корень из 64 можетбыть равен как +8, так и — 8. Вспомним третий закон Кеплера: расстояние отСолнца а (а. е.) и орбитальный период Р (годы) для любой планеты связанысоотношением Р2 = а3. Если Р2=43=64, то период определяется как кореньквадратный из 64. Безусловно, мы считаем период равным 8, а не — 8 годам.
Что же касается самойсингулярности, то мы знаем о ней слишком мало: известные нам физические законыотказывают, когда речь идет о бесконечной плотности вещества и бесконечныхсилах тяготения. Пенроуз и другие ученые убедительно показали, что коллапсбольшой массы вещества неизбежно завершается образованием сингулярности и что, покрайней мере в случае сферически симметричного коллапса, непременно возникаетгоризонт событий, скрывающий эту сингулярность от внешнего наблюдателя. Сингулярностьпредставляет собой такую область пространства, где известные нам законы природыне выполняются, и поэтому мы не можем предсказать, как там развиваются событияи каковы их результаты. Если бы сингулярность можно было наблюдатьнепосредственно, т. е. если бы существовала так называемая голая сингулярность,то мы лишились бы и тех небольших возможностей предсказывать развитие событийво Вселенной, которые ныне нам доступны: ход наших рассуждений был бы запутаннепредсказуемым поведением сингулярности. Но поскольку сингулярности “прячутся”за горизонтами событий, что бы в них ни происходило, это никак не отражается нанаходящейся вне горизонта событий наблюдаемой части Вселенной. Еслисингулярности действительно ненаблюдаемы, то сам факт их существования можно вовнимание не принимать.
Не столь ясен вопрос отом, обязательно ли формируется горизонт событий вокруг всякого коллапсирующеготела. Не вызывает сомнений образование такого горизонта в процессе коллапсасферически симметричной массы, в результате которого возникает невращающаясячерная дыра, но коллапс несферических или очень протяженных объектов ставит вэтой связи ряд проблем. Многие ученые разделяют гипотезу Пенроуза о такназываемой космической цензуре, согласно
которой Вселеннаяустроена так, что сингулярности всегда образуются только в пределах горизонтасобытий; однако справедливость этой гипотезы пока не имеет строгогодоказательства, за исключением простейшего и несколько идеализированного случаясферического коллапса.
Внутри черной дыры гравитациядоминирует над всеми другими силами, но если космическая цензура все-таки есть,то мы никогда не сможем наблюдать последствий этой преобладающей роли тяготенияв экстремальной точке — центральной сингулярности.
5.Черные дыры воВселенной
Черные дыры могутвнезапно обнаружиться во множестве различных астрофизических объектов. Возможно,нам когда-нибудь удастся открыть черные дыры массой от 2—3 до 100 масс Солнца, образовавшиесяв результате гравитационного коллапса звезд. Черные дыры массой в несколькотысяч солнечных масс могут находиться в центре массивных шаровых звездныхскоплений; существует мнение, что сверхмассивные черные дыры в несколькомиллионов и даже миллиардов масс Солнца могут быть ядрами активных галактик, вчастности радиогалактик, или таких загадочных объектов, как квазары. На другомконце шкапы масс располагаются первичные черные дыры, масса которых можетпринимать самые различные значения в интервале, ограниченном снизу массойпримерно в миллиард тонн. Высказывалась мысль, что большое количествоневидимого вещества Вселенной может быть заключено в черных дырах, блуждающих вмежгалактическом пространстве. Если таких дыр много, то их гравитационноевоздействие может существенным образом сказаться на ходе развития Вселенной;обсуждению этой проблемы посвящена следующая глава.
Черные дыры столь частопривлекались для “объяснения” самых разнообразных астрономических явлений, чтовозникает опасение, как бы они не превратились в единственный способ разрешенияастрофизических проблем. Конечно, в некоторых случаях использованиепредставлений о черных дырах вполне обоснованно, но не следует забывать, что насегодняшний день реальность существования черных дыр окончательно не доказана.
6.Доказательствосуществования чёрных дыр
Пылевой диск вокругчёрной дыры
Снимок Орбитальноготелескопа Хаббла, содержит основные три характерные черты:
Внешняя белая областьявляется ядром или центром галактики NGC4261…
Внутри ядра существуеткоричневый диск спиральной формы, он весит в сотни тысяч раз больше, чем нашеСолнце.
Поскольку он вращается, мыможем измерить радиус вращения и скорость составляющих диска, следовательно, можемопределить вес объекта, находящегося в центре.
Это объект, величиной снашу Солнечную систему, но весит в 1, 200, 000, 000 раз больше нашего Солнца.Это означает, что гравитация примерно в миллиард раз больше гравитации наСолнце. Практически несомненно, что этот объект является черной дырой.
Черная дыра в M87
M87 является активнойгалактикой, в которой мы наблюдаем интересные объекты. Вблизи её ядра (илицентра) существует спиральной формы диск горячего газа. Первое изображениепоказывает его среди его окружения. Вторая накладывает спектры от егопротивоположных сторон. Это позволяет нам определить скорость вращения диска иего размер. Из которых мы можем взвесить величину невидимого объекта в центредиска.
Хотя объект не превышаетв размерах размер нашей Солнечной системы, он весит в три миллиарда раз больше,чем Солнце. Это означает, что гравитация настолько сильна, что свет не можетубежать. Там существует черная дыра.
/>
На первом рисункеприсутствует диагональная линия. Полагают, что это след движения тех счастливыхчастиц, которым удалось ускользнуть вдоль оси вращения и избежать падения начерную дыру.
Падение вещества в зонугоризонта событий.
Космический телескопХаббл, возможно, впервые, позволил получить четкое доказательство существованиячерных дыр. Он наблюдал исчезновение вещества, падающего в зону действия чернойдыры, за так называемый «горизонт событий».
Наблюдаемые слабыесветовые импульсы потоков горячего газа в ультрафиолетовом спектреобесцвечивались и затем исчезали, образовывая завихрение вокруг массивного, компактногообъекта по имени Cygnus XR-1. Этот механизм падения, похожий, к примеру, нападение воды на краю водопада, соответствует четкой аналогии теоретическихрасчетов падения вещества в черную дыру.
Горизонт событий — этообласть пространства, окружающая черную дыру, попав в которую, вещество уженикогда не сможет покинуть эту область и провалится в черную дыру. Свет ещеможет преодолеть огромную силу гравитации и послать последние потоки отпропадающего вещества, но только в течение небольшого промежутка времени, покападающее вещество не попадет в так называемую зону сингулярности, за которуюуже не может выйти даже свет.
Согласно общеизвестнымтеориям никакой другой астрономический объект, кроме черной дыры не можетобладать зоной горизонта событий.
Черные дыры были выявленыпутем наблюдения картин по засасыванию (перетеканию) в них масс звездного газа.Оценивая, сколько массы переходит в крошечную область пространства, можноопределить, сколько черная дыра занимает места и ее массу.
Никто до сих пор никогдане видел, чтобы вещество уже попавшее в зону горизонта событий, падало в чернуюдыру. Обычно наблюдалась картина простого перетекания вещества из соседней счерной дырой звездой. При этом, черная дыра была полностью сферически окутанамассой перетекающего газа и сама напоминала по внешнему виду небольшую звезду, ноизлучающую свет в спектре, близком к ультрафиолетовому или в нейтронах.
Этот секрет был скрыт отобщественности довольно долго. Ученые занимались дотошным анализом и проверкойэтих данных.
Сам Хаббл, конечно, невидел зоны горизонта событий — это слишком малая область пространства на такомрасстоянии, чтобы ее можно было бы оценить. Хаббл измерил хаотическиефлуктуации в ультрафиолетовом свете кипящего газа, пойманного в зонегравитационного воздействия черной дыры. Хаббл поймал уникальные моменты«затухающей последовательности импульсов», которые очень быстроослабевали.
Этот механизмсоответствует общепринятой теории, предсказанной учеными: когда вещество падаетблизко в зоне горизонта событий, свет от него быстро тускнеет, поскольку, чемближе к центру черной дыры, тем сильнее сила гравитации и тем более длиннымистановятся волны, постепенно переходя от ультрафиолетового спектра кнейтронному, а затем и вовсе исчезают. Этот эффект носит название «красногосмещения».
Наблюдаемый фрагментпадающего вещества исчез с поля зрения телескопа Хаббла прежде, чем онфактически достиг горизонта событий. Быстродействующий фотометр Хабблаотбираемый световые импульсы со скоростью 100000 измерений в секунду. Ультрафиолетоваяразрешающая способность Хаббла позволила видеть слабое мерцание падающеговещества в пределах 1000 миль от горизонта событий.
Динамические моделипредсказывали и раньше, что Cygnus XR-1's относится к черной дыре. Газ не можетнепосредственно падать в нее, как в канаву, но образовывает завихрение в видесглаженного спирального диска.
7.Пространственно-временные парадоксы.
Теории о путешествиях вовремени, всегда остаются одними из самых впечатляющих вслед за разработками вобласти телепортации, торсионных полей и антигравитации. Впрочем, путешествиюво времени не повезло больше — до сих пор не только нет очевидцев перемещенияво времени, но и универсального определения времени. В каком-то смысле каждыйиз нас — настоящий путешественник во времени, правда, это не впечатляет, темболее что двигаться в этом понимании можно только “вперед”.
До Эйнштейна опутешествиях во времени говорили только литераторы, причем идея “временивспять” принадлежит вовсе не Герберту Уэллсу, а Эдварду Пейджу Митчеллу, издателюгазеты New York Sun, который за 7 лет до “Машины времени” опубликовал рассказ“Часы, которые шли назад”. В физике о возможности подобных перемещений сталомодно размышлять вслед за Эйнштейном. Феномен путешествия во времени с тогосамого момента стал объясняться с точки зрения действияпространственно-временного континуума. “Тень” Эйнштейна по сей день “лежит” навсех мало-мальски серьезных рассуждениях на эту тему.
По теории относительностивыходит, что при скорости, близкой скорости света, время должно замедляться.Однако скорость света практически недостижима в отличие, скажем, от скоростизвука, барьер которой был преодолен в последней четверти прошлого века. Далее, потеории Эйнштейна следует, что, когда тело развивает скорость, близкую кскорости света, его вес начинает увеличиваться и в точке достижения этойскорости практически бесконечен. Еще одна аксиома, которая также сопровождаеттеории о времени, гласит: первое путешествие, если ему суждено будет произойти,будет связано не с изобретением сверхбыстрого транспорта, а с открытием особойсреды, в которой любое транспортное средство могло бы разогнаться до нужнойскорости. Коридор во времени может быть образован и сугубо “природными”явлениями: черными дырами, тоннелями, космическими струнами и так далее.
Наиболее вероятнымпретендентом на “коридор времени” называют черные дыры, о природе которых досих пор известно очень мало. Принято считать, что когда звезды, масса которыхпревышает массу Солнца как минимум в четыре раза, гибнут, то есть когда их“топливо” сгорает, они взрываются из-за давления, вызванного их собственнымвесом. В результате взрыва образуются черные дыры, гравитационные поля вкоторых настолько мощны, что эту область не может покинуть даже свет. Всякийобъект, достигающий границы черной дыры — так называемого горизонта событий, — всасываетсяв ее недра, причем снаружи не видно, что происходит “внутри”.
Черная дыра окруженагравитационным полем, в котором тела достигают скорости света. Предполагается, чтов глубине черной дыры — предположительно, в центре, в так называемой точкесингуляра — законы физики прекращают действовать, и пространственная ивременная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие впространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физикипредположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоневоздействия, то где-то там, в “ядре” дыры, должна быть некая “белая дыра”, выталкивающаяматерию со столь же сокрушительной силой.
В центре черной дырынаходится коридор, где пространство и время меняют свои характеристики. Однакоесть одно “но”: прежде чем тело достигнет зоны, где законы традиционной физикиперестают действовать, оно будет разрушено. Эта точка зрения была высказанафизиком Калифорнийского института технологии Кипом Торном, автором монографии“Черные дыры и искривление времени”.
Торн предложил другойспособ достижения необходимого для путешествия во времени ускорения. Он, основываясьна той же теории Эйнштейна, по которой пространство и время везде постоянно, изучалдругие “прорехи” в пространственно-временном континууме. Эти норы-тоннели якобыспособны возникать между отдаленными объектами благодаря казуальнойскрученности пространства. Тоннели могут связывать отдаленные в пространстветочки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торнабсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал дляподдержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом сотрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремитьсяразрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки иудерживать от коллапса.
Еще одна любопытнаятеория о способах путешествия во времени принадлежит Ричарду Готу — физику изПринстона. Он предположил существование неких комических струн, которые былиобразованы на ранних этапах формирования вселенной. Согласно теории струн, всемикрочастицы образованы замкнутыми в петли крохотными струнами и находятся подчудовищным натяжением в сотни миллионов тонн. Их толщина гораздо меньшеразмеров атома, однако колоссальная гравитационная сила, с которой онивоздействуют на объекты, попадающие в зону их влияния, разгоняет их доколоссальной скорости. Совмещение струн или соположение струны и черной дырыспособно создать закрытый коридор с искривленным пространственно-временнымконтинуумом, который и мог бы использоваться для путешествия во времени.Существуют и другие, менее экзотичные способы “обмануть” время. Легче всего этобудет сделать астронавтам. Пребывание, к примеру, на Меркурии в течение 30 летозначает, что астронавт вернется на нашу планету более молодым, нежели если быон оставался на Земле, так как Меркурий вращается вокруг Солнца чуть быстрееЗемли. Однако здесь линейный ход времени сохраняется, и в чистом видепутешествием во времени данный феномен называть не стоит. Более того, зафиксировано,что астронавты, которых на орбиты выносит “Шаттл”, уже сейчас опережают“земное” время на несколько наносекунд, хотя до скорости света им, мягко говоря,далеко.
Помимо проблемтехнического характера, физики обсуждают и возможные конфликты времени.Реальная проблема, которая может ждать путешественников, — парадоксы времени.Их возникнет множество, и все они будут связаны с возможным воздействием на ходуже совершенных событий — “парадокс дедушки”, например. Большинство теоретиковсошлись на том, что всякое воздействие на ход совершенного создает новую, параллельнуюреальность либо другую “мировую линию”, ничуть не мешающую существованию“исходной”. И таких “параллельностей” будет ровно столько, сколько необходимодля непротиворечивого существования каждой из них. Вообще надо заметить, чторассуждения, дискуссии и лекции о природе времени и возможности путешествия вовремени до сих пор остаются излюбленным занятием серьезных физиков — своегорода интеллектуальной забавой. В свое время астрофизик NASA Карл Саган в ответна заявление Стивена Хокинга о том, что, если бы путешествия во времени были бывозможны, среди нас было бы полно “ребят из будущего”, парировал, что есть, какминимум, дюжина способов опровергнуть это заявление.
Во-первых, машина времени,к примеру, сможет переносить только в будущее. Во-вторых, машина времени сможетпереносить только в недалекое прошлое, а мы — опять же, к примеру — “слишкомдавно”. В-третьих, наши потомки из будущего могут перемещаться только к темпредкам, у которых машина уже есть, и так далее. Как бы там ни было, гипотетическаявозможность подобных путешествий сохраняется, и опровергнуть ее не в силахсамые язвительные скептики. Более того, теории теориями, а практическиеразработки все-таки ведутся. Причем с определенными успехами.
8.Заключение
Существование черных дыр,предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, сбольшой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятностьпревратится в полную уверенность, то уже роль черных дыр как источниковактивности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементоммироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если онидействительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чемэто кажется сегодня.
Как бы то ни было, черныедыры в очередной раз продемонстрировали, что считать, будто все их загадкираскрыты, преждевременно. И судя по всему, нас еще ожидает множество сюрпризов…
История предсказаний ипоисков черных дыр полна драматизма и до сих пор окончательно не завершена. Вэтом отношении проблема черных дыр сходна с проблемой внеземных цивилизаций, стой лишь разницей, что в случае внеземных цивилизаций имеется полное единодушиесреди физиков и астрономов в том, что эти цивилизации могут существовать, нопока еще не открыты. А в случае черных дыр сложилась парадоксальная ситуация:астрономы почти уверены, что черные дыры открыты, в то время как многие физикине верят в их существование. Слишком уж удивительны и экзотичны свойства этихпоистине экстремальных объектов, чтобы можно было легко поверить в ихсуществование.
9. Список используемойлитературы
1. www.mrcnn.narod.ru/blackhole.htm#5
2.www.dark-universe.ru
3.Новиков И. Д Н73 Черныедыры и Вселенная. — М.: Мол. гвардия, 1985. — 190 с.
4.www.evrika.tsi.lv/center.php
5. www.sciam.ru
6. www.elementy.ru
Список литературы
Для подготовки даннойработы были использованы материалы с сайта referat.ru