Теория относительности и Черные дыры

~ ~

 

Введение

Теоретическое предвидение существования во Вселенной черных дыр – одно из самых замечательных достижений теоретической астрофизики XXв. Хотя отдельные идеи, приближавшие к понятию черной дыры, высказывались еще даже в рамках ньютоновской физики в XVIII в. (П.С. Лаплас), первая теоретическая модель черной дыры была построена в 1916 г. К.Шварцшильдом всего через несколько месяцев после опубликования А. Эйнштейном уравнений гравитационного поля в общей теории относительности. В процессе поиска точных решений уравнений гравитационного поля Шварцшильд пришел к описанию геометрии пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Это была простейшая модель сферически-симметричной черной дыры, характеризующейся только массой.

Однако в целом в первой половине XX в. интерес к моделированию черных дыр носил исключительно абстрактно-теоретический характер и не связывался с некими реальными объектами в Космосе.

Что же вообще представляет собой черная дыра? Это такой удивительный космический объект, который обладает настолько огромной гравитацией, что поглощает всё, что попадёт в его пределы. По сути, чёрная дыра – это объект, который не выпускает даже свет и искривляет пространство-время. Даже время возле чёрных дыр течёт медленнее.

Сейчас существует множество различных предположений и практических наработок, разработанных учеными относительно черных дыр, однако плотно изучить их пока не удавалось. А потому чёрными дырами называют условно все объекты, подходящие под данное описание.

Черные дыры, несомненно, самые загадочные и пугающие объекты Вселенной.  Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения об их существовании начали высказываться почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно. И из-за того, что они малоизученны, эти таинственные космические объекты представляют особую популярность у разных исследователей. Их природа, свойства, характер, возможности, виды, способы образования - всё это представляет огромный, неугасающий интерес. Поэтому и по сей день изучение этих экзотических объектов достойно особого  внимания, потому что с космосом – шутки плохи.

Итак, черная дыра так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос — куда? Допустим, в другую часть нашей Вселенной или вообще в другую Вселенную. Может ли человек выжить во время его падения в черную дыру? Что происходит с объектами, которые поглотила эта ужасная область пространства? Правда ли, что черная дыра – переход из одного мира в другой, параллельный? Откуда берутся эти космические объекты, что с ними происходит?

Много вопросов возникает и вокруг исторической судьбы черных дыр. Долгое время модели черных дыр в теоретической астрофизике создавались на основе представления, что черная дыра характеризуется исключительно тремя параметрами — массой, зарядом и моментом количества движения; все остальные свойства, присущие звездам (плотность, химический состав, давление, температура на разных глубинах и др.), здесь теряются. Но дальнейшее изучение черных дыр привело к новым открытиям, которые с каждым разом всё больше и больше раскрывали сущность черных дыр. И хотя пока об абсолютном знании говорить не приходится, последующие исследования обязательно раскроют больше секретов этих удивительных и таинственных явлений Вселенной.

 

Теория относительности и Черные дыры

Общая теория относительности — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Однако, несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени.

На самом деле, несмотря на своеобразный «бум», вызванный теорией относительности, попытки пересмотреть её, а то и полностью опровергнуть никогда не прекращались. Существуют сведения, что черных дыр, оказывается, не признавал и сам Эйнштейн, как создатель теории, и А. Эддингтон — один из первых физиков, пропагандировавших его теорию и способствовавший экспериментальной проверке другого ее вывода — об искривлении лучей света в гравитационном поле.

В чем же причина такого ярого недолюблювания данной теории?

Ученым не нравилось в первую очередь то, что черная дыра — это масса, которая не только не выпускает лучи света, но и безостановочно, совершенно неудержимо сжимается в математическую точку. Эддингтон всю жизнь отрицал, что силы отталкивания не способны сдержать катастрофическое сжатие. Эйнштейн же считал, что не могут существовать объекты, меньшие своего гравитационного радиуса: ведь сила тяготения тела, сжатого до гравитационного радиуса (он зависит от массы тела), становится бесконечной.

И всё же, несмотря на это, теория относительности Эйнштейна является первым ключом к пониманию черных дыр. Она утверждает, что гравитация влияет на время. Чем более массивный объект в космосе, тем больше он замедляет время. Гравитация же черной дыры настолько огромна, что она практически останавливает ход времени. Если снаружи черной дыры наблюдать, как падает космический корабль, то можно увидеть, что он все больше и больше замедляется и, в конце концов, исчезает.

Также теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Чем массивнее объект, тем больше это искажение будет. Черные дыры настолько огромны, что они искажают  пространство времени, и оно отодвигается в глубокую и бездонную пустоту, от которой ничто не может укрыться.

 

 

 

Возникновение черных дыр

Различают 4 сценария образования чёрных дыр. Два реалистичных:

1) гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции;

С точки зрения данных современной физики и астрофизики любая звезда, в том числе и наше Солнце, проходит несколько стадий своей эволюции. Характер этих стадий зависит от начальной массы звезд. Солнце - это рядовая звезда, принадлежащая к спектральному классу желтых звезд с температурой около 6 тыс. градусов по Цельсию. В недрах Солнца температура достигает нескольких миллионов градусов, а давление - миллионов атмосфер. В этих условиях протекают процессы термоядерного синтеза, в ходе которого водород превращается в гелий. Излучаемая из недр Солнца энергия - результат такого синтеза. На этом "горючем" Солнце существует уже более 5 млрд лет и будет существовать примерно еще 10 млрд лет. За это время в его центре будет постепенно выгорать водород и накапливаться ядра атома гелия. Затем наступит момент, когда начнется сжатие центральной области Солнца, резко возрастут давление и температура, в результате чего станет возможным новый тип ядерных реакций - превращение гелия в углерод. В этот момент значительно возросшее излучение из недр Солнца станет как бы распирать его оболочку, и, распухая, Солнце превратится в красный гигант с температурой поверхностных слоев около 3-4 тыс. градусов и размерами, превышающими расстояние от Солнца до Земли. Далее, со временем произойдет сброс и остывание водородной оболочки, возникнет газовопылевая туманность, в центре которой окажется небольшая плотная звезда - белый карлик - с температурой поверхности в десятки тысяч градусов. Постепенно остывая, она превратится в красный карлик, а затем в "черный" карлик - мертвую холодную звезду с очень большой плотностью, в миллионы раз превышающей плотность воды, и размерами меньшими, чем размеры земного шара.

Как можно догадаться – «черный» карлик это и есть наша рассматриваемая черная дыра.

2) коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;

Например, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 3,7 солнечных масс. Этот способ схож с предыдущим, с той лишь разницей, что звезда не образуется, как это обычно бывает при гравитационном сжатии межзвездного газа. Масса газа настолько велика, что сжатие идет сразу до образования черной дыры.

и два гипотетических:

3) формирование чёрных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные чёрные дыры);

Данный сценарий формирования чёрных дыр в момент Большого взрыва происходит в результате флуктуаций гравитационного поля или материи. 

Первичная чёрная дыра — гипотетический тип чёрной дыры, которая образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, но в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной.

Согласно модели Большого взрыва, после так называемой Планковской эпохи, давление и температура во Вселенной были сверхвысокими. В этих условиях простые колебания плотности материи были достаточно значительными, чтобы способствовать возникновению чёрных дыр. Хотя большинство областей с высокой плотностью в связи с расширением Вселенной удалились друг от друга, первичные чёрные дыры, будучи стабильным, могли сохраниться до настоящего времени.

Космологами высказано предположение, что первичные чёрные дыры с массами в диапазоне от 1014 кг до 1023 кг, могут быть объектами тёмной материи, тяжелее других кандидатов на её образование. Чёрные дыры с такими массами (типичный диапазон масс астероидов) включают объекты как слишком мелкие, чтобы они могли сохраниться до настоящего времени, так и слишком большие, чтобы объяснить наблюдаемый эффект гравитационных линз.

В настоящее время большие плотности вещества, необходимые для гравитационного коллапса, достигаются лишь в звёздах. Если считать верной теорию Большого взрыва в той её части, что в прошлом Вселенная была значительно более плотной, то при наличии первичных неоднородностей плотности вещества это могло бы приводить к возникновению первичных чёрных дыр. Различные модели ранней Вселенной заметно различаются в своих предсказаниях величины первичных неоднородностей. Как следствие, массы предполагаемых первичных чёрных дыр колеблются от планковской массы до сотен тысяч солнечных масс.

4) возникновение в ядерных реакциях высоких энергий (квантовые черные дыры).

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры.

Предполагается, что для возникновения чёрных дыр необходимо перейти границу по массе, связанную с планковской массой (~1019 ГэВ/c² = ~2 × 10−8 кг), при которой квантовые эффекты полностью доминируют над классической гравитацией. Если это так, то в земных условиях достигаемые столкновения с высокой энергией не смогут привести к возникновению чёрных дыр. Для планковской чёрной дыры встречается название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон.

 

Однако сейчас наиболее вероятной версией является первая.

Черные дыры на самом деле формируются из сверхмассивных звезд, масса которых, по крайней мере, в десять раз больше, чем наше Солнце. Когда горят звезды, в процессе синтеза выделяется сплав водорода. Данная ядерная реакция производит давление, которое позволяет выталкивать из центра водоворота звезды. И противодействует силе тяжести, которая тянет ее обратно внутрь. Эти две силы идеально сбалансированы. Что позволяет звезде не разрушиться. Когда она исчерпывает свой запас водородного топлива, баланс нарушается.

Массивные звезды погибают и в результате взрыва, образуя сверхновая звезда. Что происходит после этого, зависит от ее массы. Большинство из звезд остаются позади ядра, именуемого Белым Карликом. Оно обычно окружено постоянно расширяющейся оболочкой газа. В некоторых, редких случаях масса звезды настолько велика, что гравитация черной дыры будет тянуть ее тело очень сильно, после чего она может стать крошечной, компактным объектом, известным как нейтронная звезда.  Но в очень редких случаях, существует так много массы в звезде, что гравитация буквально сходит с ума.

Ничто во Вселенной не может остановить распад. Звезда коллапсирует* в самой себе и останавливается только тогда, когда занимает определенную точку в пространстве. Она в буквальном смысле перестает существовать. Однако при этом, оставляя за собой массу и силу тяжести. Теперь это еще одна черная дыра, один из самых необычных объектов в космосе.

*Гравитационный коллапс — катастрофически  быстрое сжатие массивных тел  под действием гравитационных  сил.

Природа черных дыр

Черные дыры - это порождение гигантских сил тяготения. Они возникают, когда в ходе сильного сжатия большей массы материи возрастающее гравитационное поле ее становится настолько сильным, что не выпускает даже свет, из черной дыры не может вообще ничто выходить. В нее можно только упасть под действием огромных сил тяготения, но выхода оттуда нет.

С какой силой притягивает центральная масса какое-либо тело, находящееся на ее поверхности? Если радиус массы велик, то ответ совпадал с классическим законом Ньютона. Но когда принималось, что та же масса сжата до всё меньшего и меньшего радиуса, постепенно проявлялись отклонения от закона Ньютона - сила притяжения получалась пусть незначительно, но несколько большей. При совершенно фантастических же сжатиях отклонения были заметнее. Но самое интересное, что для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности! Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр.