Какобнаружить «черную дыру»
В.Н.Леонович
Черная дыра –область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, чтони вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся тамтел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышатьскорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могутдвигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь.Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий», илипросто «горизонтом» черной дыры.
Чтобы полетяготения смогло «запереть» излучение, создающая это поле, масса (M) должнасжаться в объем с радиусом, меньшим «гравитационного радиуса» rg = 2GM//>,гравитационная постоянная G = 6,672×/>/>/>/>и скорость света c = 299792458м/с. Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычнымразмером физических тел. Например, для Солнца с массой около 2 ×/>кг и радиусомоколо 700 тыс. км значение rg ≈ 3 км. А для Земли (M = 6 × /> кг) значениеrg ≈ 1 см, для звезды в десять солнечных масс — 30 км, а для объекта в двамиллиарда солнечных масс — 40 астрономических единиц, то есть размер Солнечной системы.
Теориязвездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики,содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных изних должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр.
В настоящеевремя в зоне видимости наблюдается около 200 объектов – кандидатов в черныедыры, но нет пока ни одного объекта, в отношение которого можно утверждать, чтоэто черная дыра.
Черная дыракак физический объект обладает очень многими интересными и необычнымисвойствами, но подавляющее большинство этих свойств проявляются внепосредственной близости или даже за горизонтом событий. Для удаленногонаблюдателя они недоступны и в качестве признаков обнаружения не представляютинтереса.
Ищут черныедыры по косвенным признакам, т.е. по искажению нормальных характеристикближайших объектов, например, среди двойных звезд, одна из которых – чернаядыра. Есть и другие признаки, нет смысла их перечислять. Все они основаны напроявлении именно необычных свойств черных дыр, и представляют значительныетрудность для обнаружения. Исследователи так увлеклись экзотическими свойствамичерных дыр, что упустили из виду самый доступный вид исследования – фотонноеизлучение.
Исходя изтеории «черных дыр», самым вероятным местом нахождения дыр является центрГалактики. Рассмотрим этот вариант. Проанализируем оптические эффекты, которыедолжен обнаружить в этом случае земной наблюдатель.
Черная дыране излучает. Лучи света от звезд расположенных за черной дырой не могут достичьЗемли по прямой линии, т.к. все излучение телесного угла, определяемогодиаметром «горизонта событий», поглощается черной дырой. Но чернаядыра искривляет смежное пространство определенным образом, так что онодействует как идеальная и универсальная линза, фокусное расстояние которойзависит от расстояния отклоняемого луча от центра линзы. Фокусное расстояние,тем меньшее, чем ближе луч к центру черной дыры. Фокус универсальной линзывсегда направлен в сторону наблюдателя, а количество наблюдателей и ихразмещение на оси наблюдения может быть произвольным. Так что для каждой точкипространства такую линзу можно рассматривать как набранную из тонких цилиндров,каждый из которых имеет свое фокусное расстояние. Для любой точки, определяемойположением наблюдателя, всегда найдется условная тонкая линза, обеспечивающаяфокусировку лучей загороженной звезды именно в точке наблюдателя. В результатевсе геометрически экранированные звезды предстанут для наблюдателя в форме кольцевыхпсевдообъектов, рис. 1, диаметры которых определяются массой черной дыры (чембольше масса, тем больше радиус) и расстояниями от «черной /> />
дыры» донаблюдателя и от «черной дыры» до наблюдаемой звезды.
Суммарнаяяркость псевдообъекта может превзойти яркость самой звезды. А если учесть, чтокаждая звезда, загороженная «черной дырой», формирует псевдообъект, тосуммарная яркость всех колец, которые для наблюдателя практически сольются водно кольцо, должна превысить суммарную яркость экранированных звезд. Самое большое кольцосформируется самой ближней загороженной звездой. Если экранированная звезданесколько смещена от оси наблюдения, то яркость кольца становится неоднородной,а при выходе звезды из тени, кольцо вырождается в два точечных псевдообъекта. Один наблюдается, как реальнаязвезда, смещенная от черной дыры, а другой, как звезда внутри кольца, и оба псевдообъектапри малых отклонениях имеют почти одинаковую яркость (внутри кольца яркость меньше).Звезды, наблюдаемые в значительном отдалении от черной дыры, практически неизменят своего положения на небе, но должны быть представлены земномунаблюдателю также двумя объектами, первый из которых будет собственно видимойзвездой, а второй будет псевдозвездой внутри кольца псевдообъекта. Псевдозвездав этом случае будет значительно менее яркой по сравнению с реальной звездой,т.к. действующее расстояние до нее складывается из двух прямолинейных участков:наблюдатель-«черная дыра»-реальный объект. Но таких объектов так много (всевидимые звезды), что суммарная яркость кольца черной дыры должна быть сравнимойс самыми яркими звездами или превосходить их. Точечные псевдозвезды заполнятзону от самого большого кольца до радиуса горизонта событий. Эффект кажущегосясмещения звезд вблизи «черной дыры» сформирует вокруг кольца псевдообъектаобласть относительно «разреженных» звезд.
Таким образом,окончательно получаем, что на месте черной дыры должен наблюдаться яркийпсевдообъект с темной областью в середине, и затемненной вокруг него. Характерныеразмеры псевдообъекта, формируемого черной дырой, для земного наблюдателявсегда меньше размеров исходного объекта, послужившего материалом при коллапсев черную дыру, т.е. очень малы для черных дыр, возникших из звезд среднейвеличины. Темную область в центре псевдообъекта заметить трудно, да и не нужно.Дело в том, что спектр излучения псевдообъекта должен быть интегральным, т.е. ссуммарным набором стандартных линий всех звезд – это одна из самых важныххарактеристик для поиска.
Из вышеизложенного следует, что черные дыры нужно искать не как темные провалы в звездномнебе, а наоборот, среди самых ярких объектов, очень похожих на звезды. Необходимыматрибутом поиска должен быть анализатор спектра.
Изложеннаяздесь информация позволяет включиться в поиск черных дыр астрономам-любителям. Длярешивших начать поиск черных дыр, необходимо сообщить следующее. Черную дыру вцентре Галактики, казалось бы, трудно не обнаружить; по теории она должна бытьочень большой, более миллиона масс Солнца. Но ее пока не обнаружили. Крометого, следует обратить внимание на то, что строгое решение Карла Шварцшильда,положенное в основу теории «черных дыр», найдено для упрощенных и, какследствие, приблизительных уравнений Эйнштейна. Строгие уравнения гравитации, опубликованныеЭйнштейном, до сих пор не имеют решения и не проверены. Несколько существующихчастных решений, найденных для упрощенных уравнений, справедливы только для оченьмалых значений кривизны пространства, что соответствует малой концентрациивещества. Но кривизна в области дыр не то что мала, а стремится кбесконечности. Применение упомянутых частных решений уравнений гравитации дляпостроения теории черных дыр аналогично применению уравнений ламинарных теченийдля анализа турбулентности.
Такимобразом, теория черных дыр может оказаться всего лишь экзотическим и эфемерным продуктомтренировки ума азартных энтузиастов, не желающих (или не умеющих) видеть физикуза абстрактными построениями математики.
Однакослучается, что люди находят не то, что ищут. В такой ситуации остается только переадресоватьим совет Великого Комбинатора: «Пилите, Шура, пилите».
НижнийНовгород, 2009г.
Списоклитературы
1) Паули В.Теория относительности. —2-е изд. — М.: Наука, 1983.
2) Новиков И.Д. Черные дырыи Вселенная. М., Молодая гвардия, 1985.
3) Чандрасекар С.Математическая теория черных дыр. М., Мир, 1986.
4) Черепащук А.М. Поискичерных дыр. – Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4.