Чёрные дыры во Вселенной

2.3.Формирование «чёрных дыр».

   Самый очевидный путь образования «чёрной дыры» – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, её равновесие поддерживается за счёт термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звёзд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с её излучением и звёздным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя её сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.

   Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге, звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчёты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трёх масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трёх солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдёт под горизонт событий, став «чёрной дырой». Как следует из формулы для r_g, «чёрная дыра» с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

   Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчётами: все компоненты двойных звёздных систем, проявляющие свойства «чёрных дыр» (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звёздной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звёзд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов «чёрных дыр». К тому же, «чёрные дыры» очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца) могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских «чёрных дыр» не вполне ясны.

   Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения «чёрной дыры», может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звёзд, то в далёком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению «чёрных дыр» любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные чёрные дыры» с массой более 10¹² кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 10¹² кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10^–15м (как у протона или нейтрона).

2.4. Свойства «чёрных дыр».

   Вблизи «чёрной дыры» напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причём наибольшее искривление происходит вблизи «чёрных дыр». Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определённой частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно называть «интервалом времени».

   Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи «чёрной дыры». Это означает, что «чёрная дыра» искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от «чёрной дыры» это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг неё по окружности. Вдали от «чёрной дыры» её поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория.

   Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент её превращения в «чёрную дыру», то сначала было бы видно, как звезда всё быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения её поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнёт замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию и им требуется всё больше времени, чтобы дойти до нас. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему её свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождёмся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.

   Расчёт идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако, всё это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень малых пространственных масштабов, в чём пока нет уверенности. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации ещё не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в «чёрную дыру», а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.

   Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование «чёрных дыр» одним из важнейших направлений, поскольку вблизи «чёрных дыр» проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для «чёрных дыр», предсказания различных теорий существенно расходятся, что даёт ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства «чёрных дыр» изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них:

   1) Вблизи «чёрной дыры» время течет медленнее, чем вдали от неё. Если удалённый наблюдатель бросит в сторону «чёрной дыры» зажжённый фонарь, то увидит, как фонарь будет падать всё быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнёт замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность «чёрной дыры». Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересёк бы поверхность Шварцшильда и упал к центру «чёрной дыры», будучи при этом разорван её мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.

   2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в «чёрную дыру» внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.) в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура «чёрной дыры» выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Чёрная дыра не имеет волос».

   В процессе коллапса звёзды в «чёрную дыру» за малую долю секунды (по часам удалённого наблюдателя) все её внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная «чёрная дыра» «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трёх величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая «чёрную дыру», уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная «чёрная дыра» будет притягивать к себе из межзвёздной среды частицы противоположного знака, и её заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет не вращающейся «шварцшильдовой чёрной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской чёрной дырой», которая характеризуется массой и моментом   импульса.

   3) Если исходное тело вращалось, то вокруг «чёрной дыры» сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг неё. Поле тяготения вращающейся «чёрной дыры» называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашёл решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для «чёрной дыры», но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещённый на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далёких звёзд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи «чёрной дыры» он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса «чёрной дыры», хотя сама она не видна.

   Чем ближе мы подходим к горизонту «чёрной дыры», тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим») относительно далёких звёзд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри неё все объекты должны двигаться по орбите вокруг «чёрной дыры» в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить своё вращательное движение относительно далёких звёзд.

Предел статичности всюду лежит  вне горизонта и соприкасается  с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с  осью вращения «чёрной дыры».

   Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, ещё может вырваться наружу. Поэтому, хотя чёрная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию её вращения.

   4) Всё вещество внутри горизонта событий «чёрной дыры» непременно падает к её центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

   5) Кроме этого С.Хоукинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» чёрных дыр. В 1974 он доказал, что «чёрные дыры» (не только вращающиеся, но и любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи «чёрной дыры» должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, «чёрная дыра» с массой 10¹² кг должна вести себя как тело с температурой 10¹¹ К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» чёрных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

2.5. Эргосфера.

   Как показывают расчёты, у вращающейся  «чёрной дыры» вне её поверхности должна существовать область, ограниченная поверхностью статического предела, то есть эргосфера. Сила притяжения со стороны «чёрной дыры», действующая на неподвижное тело, помещенное в эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта сила конечна. Любые частицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг «чёрной дыры». Наличие эргосферы может привести к потере энергии вращающейся «чёрной дыры». Это возможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается (например, в результате взрыва) около поверхности «чёрной дыры», на две части, причём одна из них продолжает падение на «чёрную дыру», а вторая вылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергия вылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительная энергия при этом черпается из энергии вращения «чёрной дыры». С уменьшением момента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностью «чёрной дыры» и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего тела препятствует образованию «чёрной дыры»  вследствие действия сил вращения. Поэтому «чёрная дыра» не может иметь момент вращения больше некоторого экстремального значения.

2.6. Поиски «чёрных дыр».

   Расчёты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования «чёрных дыр», но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие «чёрной дыры» стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных «чёрных дыр» в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький тёмный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить «чёрную дыру» по её взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по её характерному влиянию на них.

   Учитывая важнейшие свойства «чёрных дыр» (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить «чёрную дыру» по её гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звёздами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звёздах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что «чёрные дыры» активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения.

   Поскольку в двойной системе «чёрная дыра» в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, используя эффект Доплера, удаётся измерить скорость звезды и определить массу её невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта, например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела.