Черные дыры во вселенной

В 1970 г. Брендон Картер сделал первый шаг к доказательству этого предположения. Картер показал, что если стационарная вращающаяся черная дыра обладает осью симметрии, как волчок, то ее размеры и форма будут зависеть только от ее массы и скорости вращения. Затем в 1971 г. Хокингом было доказано, что любая стационарная черная дыра всегда будет иметь такую ось симметрии. В 1973 г. Дэвид Робинсон, опираясь на результаты Хокинга и Картера, показал, что вышеприведенное предположение правильно, т. е. что стационарная черная дыра всегда будет решением Керра. Итак, после гравитационного коллапса черная дыра должна оказаться в таком состоянии, чтобы она могла вращаться, но не могла пульсировать. Кроме того, размеры черной дыры будут зависеть только от её массы и скорости вращения и никак не будут связаны со свойствами того тела, которое сколлапсировало в эту черную дыру. Этот вывод стал известен в формулировке: «У черной дыры нет волос». Теорема об отсутствии волос у черной дыры имеет огромное практическое значение, потому что она налагает сильные ограничения на возможные типы черных дыр и тем самым дает возможность строить детальные модели объектов, которые могли бы содержать черные дыры, и сравнивать их предсказания с результатами наблюдений. Кроме того, из нее следует, что при образовании черной дыры должна теряться огромная часть информации о сколлапсировавшем теле, потому что после коллапса все, что нам удастся измерить, - это, может быть, лишь масса тела да скорость его вращения.

Время жизни черной дыры конечно. В 1974 г. С. Хокинг показал, что в силу законов квантовой механики черная дыра может отдать всю свою энергию. Дело в том, что в поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив, поэтому в пространстве, которое находится перед горизонтом черной дыры, из вакуума могут рождаться различные частицы. Улетая в межзвездное пространство, они уносят энергию черной дыры. Вследствие этого уменьшаются ее масса и размеры. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Однако время жизни черных дыр все же велико, например черные дыры, которые образовались на ранних стадиях эволюции нашей Вселенной, существуют до сих пор. Теоретически ничто не запрещает, чтобы гравитационный коллапс привел к образованию сингулярности, т. е. продолжался до тех пор, пока черная дыра не достигнет нулевых размеров и бесконечной плотности, а момент сингулярности – это начало рождения новой вселенной. Именно поэтому иногда говорят, что черные дыры являются дверью в иные миры.

Объект, который по определению  нельзя видеть, естественно, нелегко  обнаружить. Как же астрономы собираются искать черные дыры?

 Конечно, черную дыру  нельзя увидеть с помощью любого  доступного астрономам телескопа,  начиная от радиотелескопов и  кончая детекторами. Тем не  менее, можно использовать косвенные  методы, связанные с теми гравитационными  эффектами, которые черная дыра  вызывает в окружающем веществе.

До начала 60-х годов  прошлого столетия никто из астрономов серьезно не воспринимал и не пытался  искать ни нейтронные звезды, ни черные дыры. Однако открытие в 1967 году пульсаров  — нейтронных звезд — изменило ситуацию. Теперь началась настоящая  охота за черными дырами. Но оказалось, что обнаружить их не так-то просто. Казалось бы, в мощном гравитационном поле черной дыры проходящий мимо луч  света должен отклоняться, но для  того чтобы заметить это, необходимо, чтобы взаимное расположение источника, черной дыры и наблюдателя было подобрано  специальным образом. Нечего надеяться  на случайную реализацию такой ситуации.

В 1964 г. советские физики О. Гусейнов и Я. Зельдович предложили искать черные дыры в системах двойных  звезд, которые должны вращаться  вокруг общего центра масс. Поскольку  черные дыры не светятся, то видимая  звезда будет вращаться вокруг «ничего». Однако здесь может случиться  такая ситуация, что излучение одной компоненты затмевает свет другой и только поэтому последняя не видна. Чтобы обойти эту проблему, было предложено искать потухшие звезды в спектрально-двойных системах, где масса невидимого компонента больше массы видимого. Тогда заведомо известно, что невидимая звезда — потухшая; в противном случае она светилась бы ярче. Кроме того, масса «мертвой» звезды должна быть больше двух солнечных масс, иначе она могла оказаться белым или черным карликом, или нейтронной звездой.

Следуя этим указаниям, астрономы  предприняли попытки найти черные дыры. Однако во всех обнаруженных с  такими свойствами двойных звездах  невидимость одного из компонент  удалось объяснить, не прибегая к черным дырам.

Необходимо было найти  такое явление, которое было присуще только черным дырам, чтобы исследуемый объект нельзя было интерпретировать по-другому. Такое явление было найдено: если черная дыра находится в газопылевой туманности, то газ будет падать на ее поверхность. Межзвездный газ представляет собой плазму. Движение заряженных частиц в процессе падения является, по сути, током, который создает магнитное поле. Энергия магнитного поля переходит в тепло. Нагретый газ начинает светиться. Это излучение мог бы обнаружить наблюдатель, но здесь опять проблема: в космическом пространстве плотность газа крайне мала, а значит, светимость газа, падающего на черную дыры также мала. И здесь снова на выручку пришли спектрально-двойные системы. Оказывается, если «напарницей» черной дыры в такой системе является звезда-гигант, то газ из нормальной звезды под действием сильного гравитационного поля перетекает к черной дыре. Из-за наличия орбитального движения газ закручивается и образует вокруг нее диск. Вследствие трения частицы нагреваются до температуры 107 К и испускают рентгеновские лучи. Таким образом, черные дыры следует искать по рентгеновскому излучению среди двойных звезд, не являющихся пульсарами. Известно много кандидатов в чёрные дыры, в частности супермассивный объект, связанный с радиоисточником Стрелец A, в центре нашей Галактики, Лебедь Х-1, Скорпион Х-1. Почему только кандидатами? Потому, что астрономы проявляют осмотрительность, и пока не будет найдено дополнительно независимое доказательство, подтверждающее, что это действительно черные дыры, они так и останутся кандидатами.

Подавляющее большинство  учёных убеждены, что наблюдаемые  астрономические явления, связанные  с этим и другими подобными  объектами, надёжно подтверждают существование  чёрных дыр[2, Электронный ресурс].

Итак, в ходе работы выяснилось: открытие черных дыр происходило в несколько этапов. Впервые их предсказали в конце XVIII в. Джон Мичелл (Англия) и Пьер Симон Лаплас (Франция): в рамках ньютоновой механики они вычислили параметры тел, для которых вторая космическая скорость больше скорости света.

В 1916 г., практически сразу  после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна для «точечного» сферически симметричного тела - это было второе теоретическое открытие черных дыр. Решение Шварцшильда - стационарное, оно описывает вечно существующую черную дыру. При этом процесс образования черных дыр из обычных тел оставался совершенно неясным. В 1939 г. американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер рассчитали коллапс облака пыли до его превращения в черную дыру. Это было третье открытие черных дыр.

Само название «черная дыра» появилось в 1968 г. Его ввел в своей популярной статье знаменитый физик Джон Арчибальд Уиллер (США), и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до этого термины «коллапсар» и «застывшая звезда».

Можно определить черную дыру как область пространства-времени, из которой невозможно никакое сообщение  с внешней по отношению к ней  Вселенной. У черной дыры нет поверхности  как таковой, но есть условная граница, называемая горизонтом событий. Для  невращающейся незаряженной черной дыры размер горизонта определяется приведенной выше формулой для гравитационного радиуса.

Как и всякое массивное  тело, черная дыра отклоняет световые лучи, проходящие вблизи нее. Но, обладая  очень сильным гравитационным полем, она и лучи отклоняет чрезвычайно  сильно. Поэтому если бы близко от нас  на луче зрения оказалась черная дыра, то вся открывающаяся перед нами картина чрезвычайно исказилась бы, а в центре зияла бы самая настоящая «черная дыра».

На расстоянии, значительно  превышающим гравитационный радиус, они проявляют себя просто как  очень компактные массивные тела, так как влияние их вращения убывает  быстрее, чем сила притяжения, а электрический  заряд черных дыр в космической  среде не может быть большим. Таким  образом, черная дыра является прекрасной моделью материальной точки, если только не слишком приближаться к ней.

Все перечисленные открытия были теоретическими, а вот с открытием  реальных черных дыр в космосе  дело обстоит сложнее. Мы очень легко  можем доказать, что какой-то объект не является черной дырой.

Например, если при аккреции (процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства) вещества на компактный объект наблюдаются периодические рентгеновские импульсы, то это рентгеновский пульсар - нейтронная звезда с сильным магнитным полем, но если таких импульсов нет, то это может быть как черная дыра, так и нейтронная звезда (без сильного поля). Другой пример: если у рентгеновского источника в двойной системе наблюдаются непериодические рентгеновские вспышки, то это рентгеновский барстер - нейтронная звезда со слабым магнитным полем, а вспышки происходят из-за падения на поверхность такой звезды сгустков вещества или из-за термоядерных вспышек в веществе, скапливающемся на его поверхности. И опять-таки, если подобные рентгеновские вспышки отсутствуют, то объект может быть или черной дырой, или нейтронной звездой.

Несмотря на то, что черная дыра не выпускает из себя никакого излучения, ее можно обнаружить. Гравитационное поле черной дыры вызывает быстрое вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Газ закручивается вокруг сверхплотного тела и образует диск, огромная кинетическая энергия частиц газа может частично переходить в рентгеновское излучение, по которому и обнаруживается черная дыра. Впервые гипотеза о наличии черных дыр появилась в 1939 г., современная наука использует в их поисках гамма-телескопы. Теоретически ничто не мешает их существованию в нашей Галактике и даже в пределах Солнечной системы. Предполагается также, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются мощнейшими источниками энергии.

Согласно современным  космогоническим представлениям в  центрах галактик должны находиться чёрные дыры [7, электронный ресурс]. Как известно, «черные дыры» нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями — их существование устанавливается по тому мощному влиянию, которое они оказывают своим тяготением на движение окружающей материи.

 Измерения параметров  движений в центральной области  нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной  физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А.Экарта (A.Eckart).Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км /с.

Вычисления показали, что  подобное движение звезд может наблюдаться  лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса  которого составляет 2.6 млн. массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн. Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Считается что это  «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния.

Однако эта скрытая  масса могла быть и некоторой  другой формой темного вещества, типа гигантских сверхскоплений слабосветящихся  звезд. Теперь, согласно последним исследованиям гуппы учёных из США и Японии под руководством  Баганова (Frederick K. Baganoff) найдено «лучшее доказательство наличия в центре Галактики именно черной дыры», которое, похоже, исключает наличие там любых других вероятно возможных объектов.

Астрофизики сделали запись мощнейшей вспышки рентгеновского излучения (которая характерна обычно для космических катастроф, типа взрыва сверхновых или столкновения звезд, сопровождающееся их гибелью), вышедшей из предполагаемого района нахождения черной дыры - Sgr A (объект Sgr A или радиоисточник Стрелец А - давно известен как центр нашей Галактики и эпицентр рентгеновского излучения). В течение нескольких минут Стрелец А стал в рентгеновском диапазоне в сорок пять раз ярче, а затем за несколько часов его яркость возвратилась на прежний уровень. По характеру изменения яркости удалось определить размеры излучающей области. Они оказались всего в 20 раз больше размеров горизонта событий, предсказанного теорией относительности.

Этот интервал равен времени  путешествия света от Солнца к  Юпитеру. То есть, рентгеновское излучение  исходит из очень массивного объекта, сжатого в очень малое пространство. И согласно законам Общей Теории Относительности, только черная дыра может быть столь же плотна как этот объект. Будь там даже сверхмассивная нейтронная звезда,  она не смогла бы быть таких малых размеров при такой силе гравитации, коей обладает.

Быстрый рост и спад излучения,  также свидетельствует о том, что источником вспышки стало  вещество, упавшее на черную дыру. Это подтверждает, что процессы аккреции (падения вещества) на центральную черную дыру нашей Галактики сходны с процессами, происходящими в квазарах и ядрах активных галактик.

 Последние данные уменьшают  ранее предполагаемые размеры  черной дыры в 1000 раз. Предыдущие  оценки были основаны только  на анализе возмущений в движении  звезд. Следовательно, с учетом наблюдений супермассивных черных дыр в центрах других галактик и соотнося их с размером нашей черной дыры, можно высказать предположение, что, либо наша Галактика довольно молодая, по сравнению с другими (черная дыра не успела набрать массу), либо она значительно меньше в своих размерах на 1/3, чем принято сейчас считать.

Заключение

Некоторые ученые рассматривают  образование черной дыры как маленькую  модель того, что, согласно предсказаниям  общей теории относительности, в  конечном счете, может случиться с Вселенной.