История открытия черных дыр

 

Исчезнув, она унесет с собой  и астронавта, и любую сингулярность, которая могла бы в ней оказаться. Это было первое указание на возможность  устранения квантовой механикой  сингулярностей, предсказываемых общей  теорией относительности. Однако те методы, которыми и Хокинг, и другие ученые пользовались в 1974 г., не могли дать ответы на такие вопросы, как, например, появятся ли сингулярности в квантовой гравитации. Поэтому начиная с 1975 г. Хокинг занялся разработкой более действенного подхода к квантовой гравитации, основанного на фейнмановском суммировании по историям (траекториям). Ответы, полученные при таком подходе, на вопросы о происхождении и судьбе Вселенной и того, что в ней находится, например астронавтов, будут изложены в двух следующих главах. Мы увидим, что хотя принцип неопределенности налагает ограничения на точность всех наших предсказаний, он зато устраняет фундаментальную непредсказуемость, возникающую в сингулярности пространства-времени.

 

3. Новые открытия относительно черных дыр

 

По недавнему заявлению астрономов из Университета Огайо, необычное двойное  ядро в галактике Андромеды объясняется  скоплением звезд, вращающихся по эллиптическим  орбитам вокруг какого-то массивного объекта, скорее всего, черной дыры. Такие выводы были сделаны на основе данных, полученных с помощью космического телескопа Hubble. Двойное ядро Андромеды было впервые обнаружено в 70-х годах, но только в середине 90-х была выдвинута теория черных дыр.

 

Идея о том, что в ядрах  галактик существуют черные дыры - не нова.

 

Есть даже все основания полагать, что Млечный путь - галактика к  которой принадлежит Земля - имеет  в своем ядре большую черную дыру, масса которой в 3 млн раз больше массы Солнца. Однако исследовать  ядро галактики Андромеда, которая находится на расстоянии 2 млн световых лет он нас, легче, чем ядро нашей галактики, до которого свет идет всего лишь 30 тыс. лет - за деревьями не видно леса.

 

Ученые моделируют столкновения черных дыр

 

Применение численного моделирования на суперкомпьютерах для выяснения природы и поведения черных дыр, исследования гравитационных волн.

 

Впервые ученые из института гравитационной физики (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), также  известного как "институт Альберта Эйнштейна" и расположенного в Гольме, пригороде Потсдама (Германия), промоделировали слияние двух черных дыр. Для запланированного выявления гравитационных волн, испускаемых двумя сливающими черными дырами, необходимо провести полное трехмерное моделирование на суперкомпьютерах.

 

Плотность черных дыр так велика, что они совершенно не отражают и  не излучают света - именно поэтому  их так нелегко обнаружить. Однако через несколько лет ученые надеются на существенный сдвиг в этой области.

 

Гравитационные волны, которыми буквально заполнено космическое пространство, в начале следующего столетия могут быть обнаружены с помощью новых средств.

 

Ученые во главе с профессором  Эдом Зейделем (Dr. Ed Seidel) готовят для  подобных исследований численное моделирование, которое станет для наблюдателей надежным способом обнаружения волн, производимых черными дырами. "Столкновения черных дыр - один из главных источников возникновения гравитационных волн" - сказал профессор Зейдель, проводивший в последние годы успешные исследования в моделировании гравитационных волн, появляющихся при разрушении черных дыр при прямых столкновениях.

 

Вместе с тем, взаимодействие двух вращающихся по спирали черных дыр  и их слияние более распространены, чем прямое столкновение, и имеют  большее значение в астрономии. Такие касательные столкновения были впервые просчитаны Берндом Бругманом, работающим в институте Альберта Эйнштейна.

 

Однако в то время из-за нехватки вычислительных мощностей, он не смог рассчитать такие прнципиально важные детали, как точный след испускаемых гравитационных волн, содержащий важную информацию о поведении черных дыр при столкновении. Бругман опубликовал последние результаты в журнале "International Journal of Modern Physics".

 

В своих первых вычислениях, Бругман  использовал установленный в  институте сервер Origin 2000. Он включает 32 отдельных процессора, работающих параллельно с суммарной пиковой производительностью, равной 3 миллиардам операций в секунду. А в июне этого года международная группа, состоящая их Бругмана, Зейделя и других ученых уже работала со значительно более мощным 256-процессорным суперкомпьютером Origin 2000 в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA). Группа включала также ученых из

 

Университета г.Сент-Луис (США) и  из исследовательского центра Konrad-Zuse-Zentrum в Берлине. Этот суперкомпьютер обеспечил первое детальное моделирование касательных столкновений черных дыр с неравными массами, а также их вращений, которые Бругман уже исследовал раньше. Вернер Бенгер (Werner Benger) из Konrad-Zuse-Zentrum даже сумел воспроизвести потрясающую картину процесса столкновения. Было продемонстрировано, как сливались "черные монстры" с массами от одной до нескольких сотен миллионов солнечных масс, создавая вспышки гравитационных волн, которые вскоре можно будет зафиксировать специальными средствами.

 

Одним из важнейших результатов  этой исследовательской работы стало  обнаружение огромной энергии, испускаемой  при столкновении черных дыр в  виде гравитационных волн. Если два  объекта, с массами, эквивалентными 10 и 15 солнечных масс подходят к друг другу ближе, чем на 30 миль и сталкиваются, то величина гравитационной энергии соответствует 1% от их массы. "Это в тысячу раз больше, чем вся энергия выделенная нашим Солнцем в течении последних пяти миллиардов лет." - заметил Бругман. Поскольку большинство крупных столкновений во вселенной происходит очень далеко от земли, то сигналы в момент достижения ими земли должны становиться очень слабыми.

 

По всему миру началось сооружение нескольких высокоточных детекторов.

 

Один из них, сконструированный Институтом Макса Планка в рамках Германо-Британского проекта "Geo 600" представляет собой лазерный интерферометр длиной в 0,7 мили. Ученые надеются измерить параметры коротких гравитационных пертурбаций, происходящих при столкновениях черных дыр, однако они ожидают только одно такое столкновение в год, причем на расстоянии около 600 миллионов световых лет. Компьютерные модели необходимы, чтобы обеспечить наблюдателей надежной информацией об обнаружении волн, производимыми черными дырами. Благодаря совершенствованию возможностей моделирования на суперкомпьютерах, ученые стоят на пороге появления нового типа экспериментальной физики.

 

Астрономы говорят, что они знают  местоположение многих тысяч черных дыр, но мы не в состоянии проделывать  с ними какие-либо эксперименты на земле. "Только в одном случае мы сможем изучить детали и сконструировать их численную модель в наших компьютерах и наблюдать за ней," - объяснил профессор Бернард Шутц, директор института Альберта Эйнштейна. "Я полагаю, что изучение черных дыр будет ключевой темой для исследований астрономов в первой декаде следующего столетия."

 

Звезда-спутник позволяет увидеть  пыль от суперновой звезды.

 

Черные дыры не могут быть замечены непосредственно, но астрономы могут  видеть доказательство их существования, когда газы извергаются на звезду- спутник.

 

Если взорвать динамит, то крошечные  осколки взрывчатого вещества глубоко  вонзятся в ближайшие объекты, таким  образом оставляя несмываемый доказательство произошедшего взрыва.

 

Астрономы нашли подобный отпечаток на звезде, которая движется по орбите вокруг чёрной дыры, небезосновательно полагая, чтобы данная чёрная дыра - бывшая звезда, которая разрушилась настолько сильно, что даже свет не может преодолеть её силу гравитации, - возникла в результате взрыва сверхновой звезды.

 

Свет во тьме.

 

К этому времени, астрономы наблюдали  взрывы сверхновых звёзд и обнаружили на их месте пятнистые объекты, которые, по их мнению, и являются чёрными  дырами. Новое открытие - первое реальное доказательство связи между одним событием и другим. (Чёрные дыры нельзя непосредственно увидеть, но о их присутствии иногда можно судить по действию их гравитационного поля на ближайшие объекты.

 

Система "звезда-и-чёрная дыра", обозначенная как GRO J1655-40, находится  приблизительно на удалении в 10,000 световых лет в пределах нашей галактики Млечного пути. Обнаруженная в 1994 году, она привлекла внимание астрономов сильными вспышками рентгеновских лучей и обстрелом радиоволн, поскольку чёрная дыра выталкивала газы на звезду-спутник, находящуюся на расстоянии 7.4 миллионов миль.

 

Исследователи из Испании и Америки  начали внимательно присматриваться  к звезде-спутнику, полагая, что она  могла сохранить какой-либо след, свидетельствующий о процессе формирования чёрной дыры.

 

Считается, что черные дыры, размером со звезду, являются телами больших звёзд, которые просто уменьшились до таких размеров после того, как израсходовали всё своё водородное топливо. Но по непонятным пока причинам, затухающая звезда трансформируется в сверхновую прежде, чем взорваться.

 

Наблюдения системы GRO J1655-40 в августе  и сентябре 1994 года позволили зафиксировать, что потоки выбрасываемого газа имели  скорость, составляющую до 92 % от скорости света, что частично доказывало наличие  там чёрной дыры.

 

Звёздная пыль.

 

Если учёные не ошибаются, то часть  взорвавшихся звезд, которые, вероятно, в 25-40 раз больше, чем наше Солнце, превратилась в выжившие спутники.

 

Это именно те данные, которые астрономы  обнаружили.

 

Атмосфера звезды-спутника содержала  более высокую, чем обычно, концентрацию кислорода, магния, кремния и серы - тяжелые элементы, которые могут быть созданы в большом количестве только при температуре в мультимиллиард градусов, которая достигается во время взрыва суперновой звезды. Это и явилось первым доказательством, действительно подтверждающим справедливость теории о том, что некоторые чёрные дыры вначале возникли как сверхновые звёзды, поскольку увиденное не могло быть рождено звездой, которую наблюдали астрономы.

 

4. Литература

 

1. "Вселенная, жизнь, разум" - И.С.Шкловский

 

2. "От  большого взрыва до черных  дыр. Краткая история времени" - Стивен

 

Уильям Хокинг

 

3. Internet

 

4. Статьи из журналов: "International Journal of Modern Physics" и другие.