Теория относительности и Черные дыры

Общее количество излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) зависит от количества падающего газа. В типичных для межзвездной среды условиях светимость газа, падающего на черную дыру, того же порядка, что и светимость нормальных, не очень ярких звезд. Это значит, что найти таким способом черные дыры очень трудно. Они затеряны среди огромного количества слабых звезд Галактики. Правда, в падающем на черную дыру газе турбулентные движения приводят к быстрым колебаниям яркости с продолжительностью вспышек от сотых до десятитысячных долей секунды.

Советский астрофизик В. Шварцман именно таким способом предлагал в конце 60-х годов искать черные дыры. Он вместе со своими товарищами создал в специальной астрофизической обсерватории АН СССР целый комплекс приборов для этой цели под названием “Многоканальный анализатор наносекундных импульсов изменения яркости”, или, сокращенно, МАНИЯ. Название оказалось символичным. Многие годы упорного труда по конструкции, созданию и отладке приборов, пробные наблюдения, наконец, поиски... В. Шварцман долго шел этим путем экспериментатора почти с маниакальным упорством. По ходу дела были выполнены интересные наблюдения разных небесных объектов. Но, увы, черные дыры так обнаружены и не были...

В 1966 году был предложен еще один способ поиска черных дыр. Чтобы его разъяснить, ответим сначала на вопрос — почему светимость газа, падающего в черную дыру, относительно невелика?

Дело в том, что в межзвездном пространстве мала плотность газа, и, следовательно, его мало падает на черную дыру. А могут ли осуществляться в Галактике условия, когда газа падает гораздо больше?

Оказывается, да. Такие условия могут осуществляться, если, например, черная дыра входит в состав очень тесной двойной системы, где вторая компонента является нормальной звездой-гигантом. В этом случае газ из оболочки нормальной звезды под действием тяготения компаньона будет к нему перетекать мощным потоком. Мы уже говорили об этом процессе, когда обсуждали рентгеновские пульсары в двойных звездных системах.

Газ в такой двойной системе не сможет просто упасть на черную дыру, из-за наличия орбитального движения он закручивается, образуя вокруг черной дыры диск. Вследствие трения слоев газа происходит его разогрев до температуры 107 градусов (еще до того, как он провалится в черную дыру). При такой температуре газ испускает рентгеновские лучи.

• Следовательно, черные дыры следует искать как рентгеновские источники в составе тесных двойных звездных систем, где они могут быть наряду с нейтронными звездами. Такое предсказание было сделано академиком Я. Зельдовичем и мной в 1966 году, вскоре после открытия первых рентгеновских источников И. Шкловский, сделавший такое же предсказание в 1967 году, построил подробную астрофизическую картину процессов, которые должны происходить в источниках рентгеновских лучей в двойных звездных системах.

Для поиска рентгеновских источников на небе необходим вынос рентгеновских телескопов за пределы атмосферы, а для длительных наблюдений они должны быть установлены на искусственных спутниках (полет ракеты ведь очень непродолжителен). С помощью такого телескопа, установленного на спутнике “Ухуру”, были открыты в 1972 году рентгеновские источники в составе нескольких двойных звездных систем. Они-то и были подвергнуты подробному изучению, в частности, с помощью аппаратуры, установленной на советских спутниках и пилотирующих космических кораблях.

Так началась эра рентгеновской астрономии, где было выяснено, что черные дыры должны находиться среди рентгеновских источников в двойных системах, не являющихся пульсарами. Стоит отметить прежде всего, что эти источники не могут быть обычными звездами. Ведь для того чтобы газ нагрелся до температуры, достаточной для испускания рентгеновских лучей, гравитационное поле, в котором он движется, должно быть очень велико. Такими полями обладают только компактные (сжавшиеся) “умершие” звезды: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Но как выделить именно черные дыры среди “умерших” звезд?

Несомненно, надежным критерием этого является измерение массы. Если масса “умершей” звезды больше критического значения двух солнечных масс, то это черная дыра. Измерить же ее можно по орбитальному движению звезд в двойной системе. И вот оказалось, что из найденных двойных рентгеновских источников по крайней мере один обладает массой, значительно большей критического значения. Этот источник, расположенный в созвездии Лебедя, получил название Лебедь Х-1.

Нормальная видимая звезда в этой двойной системе является массивной звездой с массой около 20 солнечных масс. “Умершая” звезда, из окрестностей которой идет рентгеновское излучение, имеет массу около 10 солнечных масс. Это намного больше критического значения. Многочисленные новые исследования делают этот результат все более надежным. Мы можем поэтому с большой степенью достоверности сказать, что в системе, в которую входит источник Лебедь Х-1, вероятно, открыта первая черная дыра во Вселенной.

Рассмотрим несколько подробнее процессы, происходящие в этой системе. Компоненты двойной звезды обращаются вокруг центра масс с периодом 5,6 суток. Черная дыра массой около 10 солнечных масс притягивает к себе газ из атмосферы “нормальной” звезды-гиганта массой около 20 масс Солнца. Этот газ закручивается орбитальным движением, а центробежные и гравитационные силы сплющивают его в диск.

Струи газа из-за трения соседних слоев движутся вокруг черной дыры по сходящейся к центру спирали. Однако скорость движения к центру намного меньше, чем скорость движения по орбите. Только через месяц газ достигает внутреннего, ближайшего к черной дыре края диска. Здесь, как мы знаем, орбитальное движение становится неустойчивым, и газ сваливается в черную дыру.

За все время путешествия в диске газ нагревается трением: в наружных слоях диска его температура всего несколько десятков тысяч градусов, а во внутренних частях — больше 10 миллионов градусов. Общая рентгеновская светимость этого газа в тысячи раз превосходит полную (во всех областях спектра) светимость Солнца. Основная часть рентгеновского излучения, которая наблюдается на Земле, приходит из самых внутренних частей диска радиусом, не превышающим 200 километров. Размер самой черной дыры около 30 километров.

Еще одним важным доказательством того, что рентгеновское излучение в источнике Лебедь Х-1 рождается в очень малой области вблизи черной дыры, являются чрезвычайно быстрые хаотические колебания рентгеновского излучения, происходящие за тысячные доли секунды. Если бы излучающий объект был больше, он бы не мог столь быстро изменять свою яркость.

Таков этот удивительный источник рентгеновских лучей, эта первая открытая черная дыра, находящаяся от нас на расстоянии около 6 тысяч световых лет.

После этого было открыто несколько источников, похожих на Лебедь Х-1, но в то время они являлись лишь кандидатами в черные дыры. Но наука шла вперед, и обнаруживались всё новые и новые объекты. Например, сейчас ученые считают, что самой большой черной дырой во Вселенной является черная дыра, расположенная в центре галактики NGG 1277 в созвездии Персея, находящаяся на расстоянии 228 миллионов световых лет от Земли.

Но сколько же черных дыр во Вселенной? Точно ответить на этот вопрос трудно, так как неизвестно, какая часть массивных звезд в конце жизни полностью разрушается в термоядерном взрыве в ходе коллапса, а в какой части их все же остается достаточно массивное ядро, сжимающееся в черную дыру. Большинство астрономов считают, что черных дыр в Галактике должно быть многие миллионы, если не миллиарды.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Итак, Чёрные дыры являются пожалуй столь же малоизученными сколь и популярными объектами во Вселенной. Многие писатели фантасты используют образ черный дыры как огромного "пылесоса" в глубинах Вселенной, стремящегося поглотить всё, что находится поблизости. Однако, как мы выяснили, это не так. Чёрные дыры также не являются некими мистическими объектами, которые помогают путешествовать по мирам, вне времени и пространства. Это реальные, пугающие и весьма опасные объекты нашей Вселенной, причудливые свойства которых могут бросить вызов законам физики  и даже природе существующей действительности.

Прямое наблюдение Черных дыр затруднено, и даже в век высоких технологий, развития науки и техники Чёрные дыры – одни из многих загадок космоса, еще не раскрытых и не собирающихся быть раскрытыми в ближайшее время. Ученые еще немало лет будут ломать голову в попытках понять его природу. Может даже когда-нибудь человечество действительно подтвердит версию о путешествии в параллельные миры, может быть оно её опровергнет; может быть всё будет поглощено Чёрной дырой и обратится в «ничто», а может эти экзотические объекты так и будут дальше мирно сосуществовать с окружающим пространством. Свойства Чёрных дыр, их природа, происхождение – уже существует множество версий, взглядов, теорий, но кто знает, что хоть одна из них – правда? Наука не стоит на месте, и однажды таинственные объекты космоса будут не такими уж таинственными, а загадки мертвых звёзд, чёрных карликов, будут наконец разгаданы. А пока остается лишь наблюдать и делать выводы, благоговеть и одновременно страшиться монстров из глубин Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1) Интернет-журнал «Тайны мира». Космос и НЛО. «Дырявые небеса»  или загадки Чёрных дыр

2) Аруцев А.А., Ермолаев Б.В. Концепции современного естествознания. Р: Феникс, 2008.

3) Найдыш В.М.,  Концепции современного естествознания. Учебник. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М., Альфа-М.doc; ИНФРА-М, 2004. - 622 с.

4) Астрономия для любителей. Объекты  во вселенной. Статья Михаила  Карневского «Черные дыры»

5) Новиков И.Д., Черные дыры и Вселенная. — М.: Мол. гвардия, 1985. — 190 с.

6) http://v-kosmose.com «Черные дыры»

7) И. Д. Новиков, В. П. Фролов. Физика  черных дыр. — М.: Наука, 1986. — 328 с.