(Назад)
(Cкачать работу)ВВЕДЕНИЕ
ЧЕРНАЯ ДЫРА
ЧЕРНАЯ ДЫРА В ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ ФИЗИКИ РАЦИОНАЛЬНОЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВЫВОДЫ
Содержание
Центр Галактики — это звезда звезд. Мощную вспышку в дальнем космосе, которую наблюдали астрономы, из-за большой мощности, думается, следует считать результатом взрыва Центра одной из Галактик.
Однако это была не самая мощная, а может быть просто не самая близкая Галактика. Более величественную картину подобного земляне наблюдали в 1054 году, в созвездии Тельца. Именно тогда и там, как считают, вспыхнула Сверхновая Звезда. Почти в течении месяца она сияла так ярко, что была хорошо видна на дневном небе, при свете Солнца. Её можно было наблюдать на протяжении почти двух лет. А последствия этого грандиозного явления мы наблюдаем и сегодня, в виде так называемой Крабовидной «туманности».
Астрономы считают, что тогда взорвалась Звезда и её масса, как показывают расчеты, основанные на данных астрономических наблюдений Крабовидной туманности, якобы находилась в пределах одной десятой Солнца. Однако если судить по излучению этой «туманности», а оно, в основном, в радиодиапазоне, то её масса на много порядков больше солнечной массы. Это какую же массу должен иметь объект, состоящий из вещества, которое имеет температуру плазменного состояния, чтобы за счет собственного гравитационного смещения его излучение, при наблюдении на Земле, воспринималось в радиодиапазоне?
Выходит, наблюдали тогда не взрыв Звезды, а взрыв Центра Галактики.
Ведь и сегодня, почти через девять веков, мы наблюдаем разлетающуюся раскалённую плазму, со скоростью, примерно, 1000 км/с. И видно, что до образования нормально функционирующей Галактики, по виду, такой как наша Галактика, ещё очень и очень далеко.
Учитывая новое представление события, которое привело к возникновению так называемой Крабовидной «туманности», можно сделать серьёзный вывод. Что все наблюдаемые в Космосе объекты, воспринимаемые, как «газовые туманности», на самом деле — это, Галактики, находящиеся в стадии формирования после взрыва.
Вопрос о реальном существовании чёрных дыр в соответствии с данным выше определением во многом связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), хотя существование чёрных дыр возможно и в рамках других (не всех) теоретических моделей гравитации. Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего в её контексте, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрной дыры. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следовало бы понимать в смысле подтверждения существования объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.
Много вопросов возникает и вокруг исторической судьбы черных дыр. Черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом черной дыры. Причем, чем меньше черная дыра по размерам, массе, тем выше ее температура и тем быстрее она испаряется. А размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (1044 г) до песчинки массой 10−5 г.
Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Черная дыра массой в десять масс Солнца испарится за 1069 лет. Это значит, что массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью гамма-телескопов.
Список использованной литературы
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. — М.: Гардарики, 2001.-476с.
Новиков И. Д., Фролов В. П. Чёрные дыры во Вселенной // Успехи физических наук. — 2001. — Т. 131. — № 3.
Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М., 1990
Черепащук А. М. Чёрные дыры во Вселенной. — Век 2, 2005. — 64с.
http://ru.wikipedia.org
www.astronet.ru
Выводы
Черная дыра — область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т. е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света.
Черная дыра — это мегаобъект, который сжался под действием гравитации до малых размеров.
Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса.
12
1.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. — М.: Гардарики, 2001.-476с.
2.Новиков И. Д., Фролов В. П. Чёрные дыры во Вселенной // Успехи физических наук. — 2001. — Т. 131. — № 3.
3.Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М., 1990
4.Черепащук А. М. Чёрные дыры во Вселенной. — Век 2, 2005. — 64с.
5.http://ru.wikipedia.org
6.www.astronet.ru
список литературы
referatbooks.ru
(Назад) (Cкачать работу)
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
ЧЕРНАЯ ДЫРА, область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.
Черные дыры, {предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном} в 1915) и }другими, более }}современными }теориями тяготения, были }}{математически обоснованы Р.}Оппенгеймером} и Х.Снайдером} в 1939. Но свойства пространства и }времени в {окрестности этих {объектов {оказались столь }необычными, что }астрономы и {физики в течение 25 лет не относились к{ ним} серьезно. {Однако }{астрономические {открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры {как{ на }возможную {физическую реальность. Их {открытие и изучение }может принципиально }изменить наши представления о пространстве и }времени.
Образование черных дыр. {Пока в недрах звезды происходят }термоядерные {реакции, они поддерживают {высокую }температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием} собственной гравитации. {Однако со }временем} ядерное топливо истощается, и звезда начинает }сжиматься. Расчеты {показывают, что если }масса звезды не превосходит трех }масс Солнца, то она выиграет «битву с гравитацией»: ее гравитационный {коллапс будет остановлен давлением} «вырожденного» вещества, и звезда навсегда превратится в белый {карлик{ или нейтронную звезду. Но если }масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не }сможет остановить ее {катаст{рофического {коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. У {сферической черной дыры }массы M горизонт событий образует сферу с {окружностью по {экватору в 2 раз большей «гравитационного радиуса» черной дыры RG = 2GM/c2, где c – {скорость света, а G – постоянная тяготения. Черная дыра с }массой 3 солнечных }имеет гравитационный радиус 8,8 {км}.
Если астроном} будет наблюдать звезду в }}момент ее превращения в черную дыру, то сначала он увидит, {как{ звезда все быстрее и быстрее }сжимается, но по м}ере приближения ее поверхности к{ }гравитационному радиусу сжатие начнет }замедляться, {пока не остановится совсем}. При этом} приходящий от звезды свет будет слабеть и {краснеть, {пока не потухнет совсем}. Это происходит }потому, что в борьбе с {гигантской силой тяжести свет теряет энергию и }ему требуется все больше }времени, чтобы достичь наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, {}покинувшему ее свету потребуется {бесконечное }время, чтобы достичь наблюдателя (и при этом} фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном} {никогда не дождется этого }}момента и тем} более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом} событий. Но {теоретически этот процесс исследовать }можно.
Расчет идеализированного {сферического {коллапса п{оказывает, что за {{короткое }время звезда }сжимается в {точку, где достигаются {бесконечно большие значения плотности и тяготения. {Такую {точку называют «сингулярностью». Более того, общий }}{математический анализ {показывает, что если возник{ горизонт событий, то даже {несферический {коллапс приводит к{ сингулярности. {Однако все это верно лишь в том} случае, если общая теория относительности }}применима вплоть до очень }{маленьких пространственных }масштабов, в чем} }мы {пока не уверены. В }{}микромире действуют {квантовые {законы, а {квантовая теория гравитации {пока не создана. Ясно, что {квантовые {эффекты не }могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они }могли бы.
}Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном} населении Га{{лактики {указывают, что среди 100 }млрд. ее звезд должно быть {порядка 100 }млн. черных дыр, образовавшихся при {коллапсе }самых }массивных звезд. К }тому же черные дыры очень большой }массы }могут находиться в ядрах {крупных {галактик{, в том} числе и нашей.
Как{ уже о}тмечалось, в нашу эпоху черной дырой }может стать лишь }масса, более чем} втрое превышающая солнечную. {Однако сразу после Большого взрыва, с {которого ок{. 15 }млрд. лет назад началось расширение Вселенной, }могли рождаться черные дыры любой }массы. }Самые }{маленькие из них в силу {квантовых {эффектов должны были испариться, потеряв свою }массу в виде излучения и {потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с }массой более 1015 г }могли сохраниться до наших дней.
Все расчеты {коллапса звезд делаются в предположении слабого {отклонения от {сферической }}симметрии и {показывают, что горизонт событий }формируется всегда. {Однако при сильном} {отклонении от {сферической }}симметрии {коллапс звезды }может привести к{ образованию области с {бесконечно сильной гравитацией, но не {окруженной горизонтом} событий; ее называют «голой сингулярностью». Это уже не черная дыра в том} }смысле, {как{ }мы обсуждали выше. {Физические {законы вблизи голой сингулярности }могут }иметь }весьма неожиданный вид. В настоящее }время голая сингулярность }рассматривается {как{ }маловероятный {объект, тогда {как{ в существование черных дыр верит большинство {астрофизиков.
Свойства черных дыр. Для стороннего наблюдателя {структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой. В процессе {коллапса звезды в черную дыру за }малую долю {секунды (по часам} удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с неоднородностью исходной звезды, излучаются в виде гравитационных и {}электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю }информацию об исходной звезде, {}кроме трех величин: полной }массы, }}момента }импульса (связанного с вращением}) и {{электрического заряда. Изучая черную дыру, уже }невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, }имела ли она }форму сигары или блина и т.п. В реальных {астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к{ себе из }межзвездной среды частицы противоположного {знака, и ее заряд быстро станет нулевым}. Оставшийся стационарный {объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», {которая {характеризуется {только }массой, либо вращающейся «{{керровской черной дырой», {которая {характеризуется }массой и }}моментом} }импульса. Единственность {указанных выше типов стационарных черных дыр была {доказана в }{рамках общей теории относительности В.Израэлем}, Б.Картером}, С.{Хокингом} и Д.Робинсоном}.
Согласно общей теории относительности, пространство и }время {искривляются гравитационным} полем} }массивных тел, причем} наибольшее {искривление происходит вблизи черных 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 определенной частотой {колебаний, {количество {которых }между }двумя }событиями }можно назвать «интервалом} }времени». }Замечательно, что гравитация действует на все {физические }системы {одинаково: все часы {показывают, что }время }замедляется, а все {линейки – что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра {искривляет {вокруг себя }геометрию пространства и }времени. Вдали от черной дыры это {искривление }мало, а вблизи так{ {велико, что лучи света }могут двигаться {вокруг нее по {окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела {такой же }массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем} {предсказывает ньютонова теория. Любое тело, падающее на черную дыру, задолго до пересечения горизонта событий будет разорвано на части }}мощными }приливными }гравитационными }силами, {}возникающими из-за разницы
referat.co
Министерство образования и науки Российской Федерации
Ростовский государственный экономического университет «РИНХ»
Юридический факультет
Кафедра философии и культурологии
Р Е Ф Е Р А Т
по курсу «Концепции современного естествознания» на тему:
«Черные дыры
и пространственно-временные парадоксы»
Выполнил:
студент группы MAPZ-211
Гаврилова Ирина Станиславовна
Проверил:
к.ф.н., доцент Панычик А.В.
Ростов-на-Дону – 2011
Введение. 3
Черные дыры – что это?.. 4
Анизотропное шоссе. 6
И все-таки она светится! 11
Баскетбол или крикет?.. 13
Гипотезы и парадоксы. 15
Как создать машину времени?.. 19
Заключение. 22
Список использованной литературы… 23
На Западе их называют «червоточинами» (wormholes), у нас — пространственно-временными проколами. Так или иначе, эти самые червоточины — своего рода соединительные мосты между двумя пространственно-временными континуумами — послужили многим поколениям писателей-фантастов прекрасным средством преодолевать любые расстояния со сверхсветовыми или вообще бесконечными скоростями.
В научном мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны разгаданы), то снова разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это далеко не так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внимания черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же — «червячные норы»), «машины времени», возможное образование мини-дыр в атмосферных ливнях частиц, порождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о том, что число пространственных макроизмерений нашего мира больше трех), — вот лишь короткий список «горячих» научных тем последнего времени, в которых черные дыры играют главную роль.
Теоретическая данность под названием «чёрная дыра», в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.
В сущности говоря, чёрной дырой астрономы называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу — за «горизонт событий».
Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в этой области начинает втягивать в себя окружающую материю.
Астрономы считают также, что сверхмассивные чёрные дыры присутствуют в центре большинства (если не всех) галактик, и гравитационное воздействие центровых чёрных дыр оказывает значительное влияние на их — галактик — целостность.
Однако и эти представления пошатнулись в свете недавних открытий. С помощью рентгеновского телескопа Chandra сотрудники Смитсоновского института астрофизики обнаружили свидетельства существования в центре квазара SDSSp J1306 полноценной (и очень-очень крупной) чёрной дыры. Всё дело в том, что расстояние до этого квазара составляет приблизительно 12,7 млрд. световых лет. Учитывая, что возраст нашей Вселенной равен около 13,7 млрд. лет, то получается, что мы видим этот квазар таким, каким он был спустя всего лишь миллиард лет после Большого взрыва.
Для образования чёрной дыры, которая выделяет больше энергии, чем двадцать триллионов Солнц, миллиард лет после образования Вселенной — это как-то рановато.
Однако это не ошибка в расчётах: немногим ранее американские и британские астрофизики с помощью рентгеновского спутника XMM-Newton наблюдали квазар SDSSp J1030, располагающийся на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от нас, и также обнаружили признаки существования гигантской чёрной дыры; спектры рентгеновского излучения, наблюдаемого в обоих квазарах, очень похожи, так что существование таких вот «реликтовых» чёрных дыр — это тоже данность, похоже.
Наблюдать чёрную дыру напрямую невозможно: за горизонт событий, как уже сказано, не проникает даже свет, стало быть, остаются только косвенные признаки.
А именно, аккреционные диски. Диском аккреции называют газовый диск, вращающийся вокруг чёрной дыры. Он образуется при падении вещества на эту самую чёрную дыру. Температура вещества в таком диске может достигать миллиардов градусов, и именно эти диски и являются источниками мощного рентгеновского излучения, по которому и вычисляют чёрные дыры.
Механика образования чёрных дыр неразрывно связана со взрывами сверхновых. Весь процесс приблизительно выглядит следующим образом.
При «выгорании» звезды внутри неё прекращается термоядерная реакция, и происходит взрыв с выбрасыванием части поверхностных слоёв звёздного материала в окружающее пространство. Эти «ошмётки» разлетаются со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, сдавливая, сжимая межзвёздное вещество (пыль и газы), вследствие чего, с одной стороны, разлёт тормозится, а с другой, столкновение расширяющейся оболочки с неподвижным межзвёздным газом порождает ударную волну, в которой газ нагревается до миллионов кельвинов и становится источником рентгеновского излучения (подробнее здесь).
В «выгоревшей» звезде, с прекращением термоядерной реакции исчезает и радиационное давление. Под воздействием собственной гравитации и при отсутствии радиационного давления, «надувающего» звезду, остатки мёртвой звезды сжимаются, в результате чего возникает сгусток исключительно плотного вещества с сильнейшей гравитацией.
Это либо нейтронная звезда (обыкновенно, это пульсар), либо чёрная дыра.
По словам Дэниела Шварца, одного из астрономов, изучавших квазар SDSSp J1306, полученные им и его коллегами результаты ясно свидетельствуют о том, что механизм испускания чёрными дырами рентгеновских лучей не менялся с самых древнейших времён.
Вопрос в том, откуда взялась настолько массивная чёрная дыра в столь молодом звёздном скоплении.
Надо сказать, что самые первые звёзды, ещё лишённые «металлов» (т.е. веществ с большей атомной массой, нежели водород и гелий), по выкладкам астрономов должны были иметь колоссальные размеры. Однако неизвестно, могла ли из одной «неметаллической» звезды, пусть даже очень крупной и массивной, получиться столь гигантская и активная чёрная дыра, как в SDSSp J1306.
Учёные предполагают, что она могла образоваться в результате слияния миллионов среднекалиберных или даже малых чёрных дыр, образовавшихся вследствие коллапсов массивных звёзд в молодой галактике. В результате возникла чёрная дыра с массой, в миллиарды раз превышающей массу Солнца.
Насколько нам известно, первым ученым, придумавшим объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из основателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он изложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу.
Но, как часто бывало в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным, так что долгое время приоритет отдавался знаменитому французскому ученому Лапласу, через одиннадцать лет после Митчелла пришедшему к похожим выводам и опубликовавшему их в своей книге «Изложение системы мира». Доклад Митчелла был найден в «Философских трудах Лондонского Королевского общества» только в 1984 году.
Идея Митчелла и Лапласа была очень простой: они предположили, что в природе могут существовать тела, для которых вторая космическая скорость превышает скорость света. Поэтому такие тела будут невидимыми для наблюдателя, хотя и могут проявлять себя гравитационным воздействием на другие объекты. По словам Лапласа, «звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца не дает световому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы». А Митчелл предложил искать такие звезды по анализу движения второй звезды в двойной системе — метод, широко использующийся сейчас для обнаружения черных дыр.
Математически соображения двух ученых сводятся к нахождению радиуса R звезды массы M, для которой вторая космическая скорость равна скорости света с. Путем несложных преобразований получаем:
Rg = 2GM/c2,
где Rg — так называемый гравитационный радиус тела, G — постоянная тяготения.
Увы, все эти рассуждения были неправильными. При скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии сильно отличается от классического случая. Формула для потенциальной энергии в мощных гравитационных полях тоже меняет вид. Да и отношение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неправомерно: в частности, скорость света, как известно, константа и, следовательно, не может стремиться к нулю (пусть и на бесконечности).
Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом на основе анализа уравнений общей теории относительности, незадолго до этого выведенных Альбертом Эйнштейном. Довольно неожиданно, но в этом точном решении появляется величина размерности расстояния, выражение для которой совпадает с уже выписанной «неправильной» формулой.
Казалось бы, это не очень распространенный, но все же порой встречающийся в науке случай, когда ошибки «упрощенного» решения компенсируют друг друга. На самом деле это, конечно, не так. В решении Шварцшильда на радиусе Rg происходит нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй космической скорости. И даже не «большее», а принципиально иное.
Есть такой вопрос на сообразительность: можно ли добраться до Луны на ракете, летящей со скоростью «Запорожца»? Несмотря на то что вопрос несложный, очень часто на него отвечают «нет». Нужна, дескать, вторая космическая скорость (или чуть меньшая при полете по эллипсу).
На самом деле ответ, конечно, неверный, долететь до Луны можно. Формулы для космических скоростей справедливы для тела, летящего свободно (после первоначального толчка). Если же двигатель ракеты будет работать непрерывно, то достичь нашего спутника можно даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Иное дело, что такой полет потребует гигантского расхода горючего. Другим примером является подъем по лестнице — так можно подняться на высоту, до которой никогда не удалось бы допрыгнуть. А располагая лестницей необходимой длины, можно повторить подвиг барона Мюнхгаузена из бессмертного кинофильма (1 Сейчас, кстати, развивается вовсе не фантастический проект космического лифта, который — если будет реализован — ничем не уступит «решению» барона Мюнхгаузена. — Прим. ред.).
Все меняется, если перейти к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сферы радиуса Rg, описанной вокруг центра черной дыры), то выбраться «наружу» нельзя никаким образом. Даже по лестнице…
Именно поэтому границу сферы Шварцшильда часто называют горизонтом событий. А также — односторонней проводящей мембраной. Ведь, в отличие от известного анекдота, «выйти через вход» нельзя. Горизонт событий в чем-то очень похож на анизотропное шоссе из романа братьев Стругацких «Трудно быть богом».
Что произойдет, если две черные дыры столкнутся друг с другом? Образуют ли они новую, более массивную черную дыру? Астрофизик Дэвид Меррит полагает, что грандиозные гравитационные возмущения могут привести к обратному результату: одна из черных дыр может даже покинуть приютившую ее галактику. Причем чем меньше галактика, тем больше шансов на подобный исход. Наблюдений, подтверждающих правоту Меррита, пока нет, однако его теория объясняет, почему в карликовых галактиках и шаровых скоплениях черных дыр не обнаружено (не очень понятно, что делать с черными дырами в шаровых скоплениях G1 и M15, но Мерриту, вероятно, виднее). На снимке, сделанном с помощью телескопа Habble, изображены две спиральные галактики, проходящие мимо друг друга. Та, что побольше и потяжелее, — NGC 2207 (на снимке слева), та, что поменьше и полегче, — IC 2163. Мы видим, как искажается форма меньшей галактики под воздействием столкновения.
Анализ решения Шварцшильда показывает, что силы гравитации на горизонте событий стремятся к бесконечности. Но не следует думать, что некто, падающий в черную дыру, будет этими бесконечными силами расплющен. Эта особенность является не физической, а лишь координатной и существует только для внешнего неподвижного наблюдателя. В системе координат, движущейся вместе с путешественником, такой особенности нет, и ничто не может помешать ему пересечь горизонт событий в целости и сохранности. Более того, сил гравитации он вообще не почувствует — так же как в лифте, свободно падающем в поле тяготения Земли, будет царить невесомость (недолго, правда…).
Опасность для путешественника заключается в приливных силах — аналогичных по своей природе силам, вызывающим приливы в земных океанах и порождаемым разностью гравитационных сил, действующих на разные части тела. Эти силы будут стремиться вытянуть путешественника вдоль направления на центр черной дыры. Но максимум приливных сил не приходится на горизонт событий, они растут по мере приближения к центру. Так что для небольших черных дыр проблемы у путешественника начнутся еще до пересечения горизонта событий, а для гигантских — уже после. Очень интересным и на первый взгляд неожиданным свойством черных дыр является то, что, как показал советский астрофизик И. Д. Новиков, внутри них пространственные и временные координаты меняются местами.
Наглядно это можно представить следующим образом. Будем рассматривать не трех-, а двухмерное пространство, причем вообразим его в виде куска гибкой пленки. Направим ось времени перпендикулярно этой пленке. А теперь поместим на пленку тяжелый шар и начнем постепенно его сжимать. Пленка под шаром будет изгибаться все сильнее и сильнее, пока, наконец, стенка «вмятины» не станет вертикальной. Мы получили модель черной дыры. Нетрудно заметить, что некто, путешествующий по стенке «вмятины», будет, таким образом, перемещаться по оси времени.
Существует еще одно любопытное следствие из этого обстоятельства. События, произошедшие во «внешнем» мире за определенный интервал времени, внутри черной дыры будут располагаться вдоль некоторого пространственного промежутка. Иными словами, внутри черной дыры содержится информация обо всех, даже еще не произошедших событиях в течение всего времени существования Вселенной.
Уместно, пожалуй, развеять еще один миф, касающийся черных дыр, — о чудовищных плотностях, царящих внутри них. На самом деле это не совсем так.
Скорее даже, совсем не так.
Да, если в черную дыру превратить Солнце (гравитационный радиус которого составляет три километра) или, тем более, Землю (чуть меньше сантиметра), средняя плотность получившегося объекта превысит ядерную (1014 г/см3 ). Но средняя плотность зависит от массы по обратному квадратичному закону, так что для центральных черных дыр (находящихся в ядрах некоторых галактик, в том числе и в нашей), масса которых составляет порядка 1010 масс Солнца, средняя плотность будет в несколько раз меньше плотности воздуха.
К тому же, по современным представлениям, вся масса черной дыры заключена в точечной сингулярности — области пространства с бесконечно большой плотностью (и кривизной пространства-времени).
Впрочем… в физике любое появление бесконечно больших величин свидетельствует о несовершенстве теории. Не является исключением и сингулярность в черных дырах, к возникновению которой привело отсутствие разработанной теории квантовой гравитации.
Вообще, наглядно представить границу современных представлений о мире довольно просто. Очень хорошо этой цели служит так называемый куб теорий, придуманный советским космологом А. Зельмановым. Возьмем обычную трехмерную декартову систему координат, только обозначим оси не «x, y, z», а «с» (скорость света), «G» (гравитационная постоянная) и «h» (постоянная Планка). Тогда вдоль оси G располагается классическая ньютоновская теория гравитации, вдоль оси с — специальная теории относительности, вдоль оси h — квантовая механика. Плоскость cG отвечает общей теории относительности, плоскость ch — еще не до конца разработанной релятивистской квантовой теории (с ее наиболее успешной частью — квантовой электродинамикой). Кубу в целом отвечает релятивистская квантовая теория гравитации, которая должна (по идее) описывать наш мир во всем его многообразии.
Из этих же констант (с, G, h) можно составить выражения для так называемых планковских величин — времени, расстояния, плотности. При выходе за границы, задаваемые этими величинами, мы должны использовать еще не созданную теорию: так, граничное значение плотности составляет 1093 г/см3. Но пока теории нет, природа (и само существование) сингулярности остается предметом предположений и домыслов.
На внешний же мир гипотетическая внутренняя сингулярность влияния оказать не может. По принципу «космической цензуры», разработанной английским ученым Роджером Пенроузом в 1969 году, прежде чем из-за гравитационного коллапса неограниченно возрастет кривизна и разовьется сингулярность, гравитационное поле достигнет такой силы, что перестанет выпускать информацию наружу, — то есть возникнет горизонт событий, окружающий сингулярность.
И вот теперь мы постепенно переходим к предпосылкам так называемого информационного парадокса.
Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд, причем масса, химический состав и внутреннее устройство звезд могут варьироваться в довольно широких пределах. Более того, существуют первичные черные дыры, образовавшиеся на начальных стадиях эволюции Вселенной — задолго до рождения первых звезд.
Казалось бы, такой разброс условий должен приводить к появлению разновидностей черных дыр, сильно отличающихся друг от друга. На самом деле это не так. Усилиями многих ученых в 1960-х годах было показано, что черная дыра для внешнего наблюдателя характеризуется всего тремя величинами — массой M, моментом количества движения J (в случае вращающейся черной дыры) и электрическим зарядом Q (при его наличии). Все же остальные особенности звезды-«родительницы» в процессе гравитационного коллапса стираются. Отклонения от сферичности «высвечиваются» гравитационными волнами, магнитное поле отрывается, остальная информация исчезает под границей горизонта событий. Остается идеально сферическая область пространства (ведь никакой «твердой» поверхности у черной дыры, конечно же, нет).
Эта область представляет собой идеальную сферу даже в случае вращающейся черной дыры, просто помимо горизонта событий появляется еще одна характерная поверхность — поверхность бесконечного красного смещения, или же предел устойчивости. Решение для вращающейся черной дыры было получено Роем Керром в 1963 году, поэтому такие черные дыры зачастую называют керровскими (а невращающиеся соответственно — шварцшильдовскими).
Таким образом, в мире черных дыр отсутствует индивидуальность, все различие между ними может заключаться максимум в трех параметрах. Этот постулат получил широкую известность в шутливой формулировке, данной американским астрофизиком Джоном Уилером: «У черных дыр нет волос» (Уилеру, кстати, принадлежит авторство и самого термина «черная дыра», впервые предложенного им в 1969 году. Ранее использовались термины «темные» или «застывшие» звезды).
Это не представляло проблемы, пока черные дыры считались вечными и неуничтожимыми. Ведь можно было считать, что информация не исчезла в них окончательно, она просто хранится в «законсервированном» виде.
Все изменилось, когда стали рассматриваться квантовые эффекты в поле черных дыр. В 1970 году М. А. Марков и В. П. Фролов обнаружили, что из-за квантового рождения частиц из вакуума в поле заряженной черной дыры ее заряд уменьшается практически до полного исчезновения. Вскоре Я. Б. Зельдович и А. А. Старобинский показали, что аналогичное явление происходит и вблизи вращающихся черных дыр, причем рождающийся поток частиц постепенно уменьшает энергию и угловой момент черной дыры. Но последний, решающий шаг удалось сделать Стивену Хокингу. Он доказал, что излучают не только керровские, но и шварцшильдовские черные дыры. Поэтому это излучение сейчас носит его имя.
Суть открытия Хокинга, математически довольно сложная, на «пальцах» может быть объяснена следующим образом.
Даже в совершенно пустом вакууме все равно будут присутствовать микроскопические флюктуации полей, называемые квантовыми флюктуациями. Причиной их появления является принцип неопределенности Гейзенберга: если мы сфокусируем внимание на определенной точке пространства, то величина поля в ней абсолютно точно измерена быть не может. Эти квантовые флюктуации иначе можно интерпретировать как рождение виртуальных частиц — пары из частицы и античастицы, которые спустя очень короткий промежуток времени аннигилируют и возвращают взятую «взаймы» на свое рождение энергию. Энергия и время существования такой пары связаны все тем же соотношением неопределенностей: чем больше энергия, тем короче время. И хотя частицы виртуальные, эффекты, вызываемые их рождением, вполне реальны — например, экранировка заряда протона, измеренная в эксперименте.
Но самое интересное начинается, если наложить на вакуум сильное внешнее поле, которое может «заплатить» долг за рожденные частицы и они из разряда виртуальных перейдут в реальные. Это тоже было проделано в эксперименте, когда мощным импульсом лазера из вакуума удалось «выбить» реальные частицы.
Аналогичный процесс происходит и вблизи черных дыр, только роль внешнего поля играет гравитационное поле. Рожденная таким образом частица с положительной энергией может улететь от черной дыры, а частица с отрицательной энергией будет захвачена. И если воспользоваться фундаментальной формулой Эйнштейна E = mc2, мы получим, что вследствие этого явления масса черной дыры будет уменьшаться. То есть происходит постепенное «испарение» черной дыры.
Хотя природа излучения Хокинга, как мы видим, совершенно неклассическая, и уж тем более не тепловая, при расчетах можно принять, что черная дыра излучает как абсолютно черное тело, нагретое до определенной температуры, зависящей от массы. Для черной дыры звездной массы эта температура ничтожна — так, для Солнца она составляет одну десятимиллионную часть градуса Кельвина, и темп излучения Хокинга у подобных объектов пренебрежимо мал. Но при уменьшении массы «эффективная» температура растет, так что для черной дыры с массой миллиард тонн она превысит сто миллиардов кельвинов. Последние же тысячи тонн испаряются за одну десятую секунды, при этом выделяется энергия, эквивалентная взрыву миллиона мегатонных водородных бомб.
Итак, черные дыры излучают. До сих пор неизвестно, правда, что же происходит в самом конце испарения — исчезает ли черная дыра полностью, или остается некая элементарная черная дыра планковских масштабов. Впрочем, в контексте данного рассказа это и не важно, ведь гипотетическая элементарная черная дыра не может вместить всего объема информации, попавшего в изначальную черную дыру на протяжении ее жизни. Излучение Хокинга в силу своего механизма переносить информацию тоже не способно.
Получается, информация необратимо теряется? Или, на языке квантовой физики, чистое состояние переходит в смешанное?
Увы, это нарушает фундаментальный принцип все той же квантовой физики — требование так называемой унитарности любого преобразования (любого процесса). То есть, применив обратное преобразование к полученному результату, мы должны вернуться к исходному состоянию. Или, иными словами, сумма всех вероятностей должна быть равна единице не только в исходный, но и в любой другой момент времени — информация должна сохраняться.
Эта проблема и получила название информационного парадокса черных дыр.
Его долго пытались решить с самых различных позиций. Например, выдвигались предположения, что внутри черной дыры открываются некие «ворота» в другую Вселенную (или даже рождается «дочерняя» мини-Вселенная), куда информация и уходит. Сам Хокинг долго отстаивал идею, что сверхсильные гравитационные поля могут приводить к нарушению законов квантовой физики. Его уверенность была столь велика, что он (на пару с Кипом Торном) даже заключил в 1997 году пари с Джоном Прескиллом на то, что информация все-таки теряется. Ставкой была энциклопедия по выбору выигравшего — с аргументацией, что «уж из энциклопедии-то информацию выудить безусловно можно».
Заметим, что пари Хокинг заключает не в первый раз. В 1975 году он поспорил уже с Кипом Торном о том, что источник Лебедь X-1 не содержит черную дыру. Ставкой была годовая подписка на Penthouse против четырехлетней подписки на Privat Eye.
То пари Стивен проиграл…
В июле нынешнего года в Дублине, Ирландия, проходила очередная, 17-я по счету Международная конференция по ОТО и гравитации. Первоначально доклад Стивена Хокинга на ней не планировался, но незадолго до начала конференции он попросил у организаторов разрешения выступить с сообщением о решении информационного парадокса.
Надо сказать, выступление наделало много шуму. Информация о нем промелькнула, пожалуй, в большинстве средств массовой информации, широко обсуждалась в Интернете. И это неудивительно, ведь, помимо научной значимости предполагаемого решения проблемы с более чем тридцатилетней историей, сильное впечатление производит и сама личность Стивена Хокинга. Будучи одним из крупнейших современных ученых, человеком с выдающимся интеллектом, физически он совершенно беспомощен. Тяжелое поражение центральной нервной системы (атрофирующий латеральный склероз) привело к тому, что у него слегка действуют только пальцы на левой руке, которыми он управляет компьютером с синтезатором голоса.
В чем же суть новой идеи Хокинга? Сильно упрощая, ее можно изложить в следующем виде.
Если мы рассмотрим одиночную неизлучающую черную дыру, то ее метрика будет топологически нетривиальной (это утверждение, как и все последующие, придется принять на веру). Можно показать, что в топологически нетривиальной метрике любое возмущение, любая корреляционная функция экспоненциально затухают. То есть информация в такой черной дыре необратимо утрачивается.
Однако реальные черные дыры, как известно, излучают. К чему это приведет?
Процесс образования и испарения черной дыры в рамках квантовой теории можно рассматривать как процесс рассеяния. Некто посылает частицы и излучение с бесконечности, а потом измеряет получившийся результат тоже на бесконечности. Таким образом, все измерения производятся на бесконечности, где поля достаточно слабы. Сильные же поля, существующие где-то внутри системы, измерить при таком подходе никакими средствами нельзя. Более того, нельзя даже с уверенностью сказать, что черная дыра вообще образовалась, несмотря на, возможно, полную на то уверенность в рамках «классической» теории.
Математически эволюцию системы можно представить как интеграл по пути между начальным и конечным состояниями, разделенными интервалом времени T. Интеграл берется над метриками всех возможных топологий, могущими содержаться внутри системы. Эти топологии делятся на два класса — тривиальные и нетривиальные.
Можно показать, что в тривиальных топологиях информация сохраняется и корреляционная функция не затухает. То есть на всем пути от начального к конечному состоянию системы унитарность сохраняется.
В свою очередь, как уже было сказано, в нетривиальной топологии корреляционная функция затухает экспоненциально. Таким образом, интеграл по топологически нетривиальным метрикам независим от исходного состояния системы и не вносит вклад в общий интеграл. Следовательно, общий интеграл определяется только частью, берущейся по топологически тривиальным метрикам, что приводит к сохранению унитарности и в этом случае.
С другой стороны, как в классическом эксперименте с электроном и двумя щелями мы не можем сказать, через какую же щель прошел электрон, так и в нашем случае, рассматривая поведение полей на бесконечности, мы не можем сказать, какая топология внесла свой вклад в результаты наблюдений (результаты, показывающие сохранение унитарности).
Окончательно получаем, что излучающая черная дыра должна обладать тривиальной топологией — то есть информация может не только попадать в черную дыру, но и покидать ее.
Такова в общих чертах новая идея Хокинга. Сам он совершенно уверен в ее правильности и не только выразил желание выплатить свой проигрыш Джону Прескиллу, но и уже выписал энциклопедию баскетбола (заказанную Джоном) из Америки. По словам Стивена: «Я попробовал предложить ему взамен энциклопедию по крикету. Однако убедить Джона в превосходстве крикета над баскетболом мне так и не удалось».
Как видим, сам Хокинг настроен весьма оптимистично. Однако статья им до сих пор не выпущена, а наличие множества логических скачков в доказательстве, приведенном в докладе, не позволяет остальным ученым единогласно признать его правоту.
Еще одной сложностью является отсутствие (по крайней мере, «классического») горизонта событий у «хокинговской» черной дыры, а ведь его существование следует из фундаментального принципа эквивалентности гравитационной и инертной массы — основы ОТО.
Более того, даже в самом лучшем случае (если Стивен Хокинг во всем прав) в его работе не было предложено никакого конкретного механизма получения информации из черной дыры. С этой точки зрения интересна свежая (2004 года) работа Самира Матура с коллегами, рассмотревшего черные дыры с позиции теории струн. При таком подходе черная дыра представляет собой своего рода гигантский клубок струн, а излучение Хокинга может содержать в себе информацию о внутреннем устройстве дыры.
Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!) Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «линзы тяготения», которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством «линз тяготения». Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо. Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее «капсулы». Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом. Вообразив совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии? По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать — это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за «горизонт событий» и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок… Общая теория относительности говорит, что понятия «вовне» и «внутри» не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания «налево» или «направо», «верх» или «низ». Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной — черные дыры связывают наш космос с другими мирами.
Из окружающей ее окрестности черная дыра высасывает гигантские количества материи: в каждую минуту проглатывается масса, равная нашему земному шару. Но прежде чем исчезнуть в утробе черной дыры, материя завихряется, как вода в ванне при спуске. Все быстрее и быстрее вращается ее поток, и, поскольку ее частицы все сильнее ударяются одна о другую, они нагреваются на многие миллионы градусов Цельсия. Столкновение частиц и рождает рентгеновское излучение, которое улавливают земные астрофизики. Космические процессы, о которых здесь было рассказано, в настоящее время происходят достаточно редко. Почти все рентгеновские лучи, которые в наши дни регистрирует спутник «Росат», приходят к нам из далекого прошлого, когда образование звезд шло энергичнее. Но к тому времени уже были черные дыры. А совсем недавно, в конце февраля 1998 года, в журнале «Астрономические известия» появилась статья, в которой исследователи пытаются определить время «наибольшего аппетита» у черных дыр. Расчеты показывают, что таким аппетитом они обладали еще до того, как большинство газовых шаров сжалось и превратилось в яркие звезды. Черные дыры в те времена отличались поистине колоссальной прожорливостью. Следовательно, можно полагать, что черные дыры появились вскоре после первоначального взрыва, породившего нашу Вселенную, но еще до того, как возникли первые звезды. Многое говорит и о том, что такие сверхмассивные черные дыры стали ядрами, вокруг которых впоследствии образовались галактики, объединяющие миллиарды солнц. Если эта гипотеза выдержит проверку временем, то она заставит изменить принятую ныне модель первоначаль ного образа мироздания.
Совсем недавно орбитальный телескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики «Центавр-А» (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли — десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра «заглатывает» маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.
Oказывается, своеобразные «черные дыры» есть и на Земле. Более того, в конце мая этого года сотрудники территориального центра «Томскгеомониторинг» обнаружили подобную около Томска, в 2 км от поселка Зоркальцево. На поверхности земли на пахотных угодьях АОЗТ «Октябрь» образовался провал. Его устье имеет овальную форму, шириной 1,5-2 м. Глубина образовавшейся полости 4-5 м. «Прямых признаков, — пишет и.о. директора „Томскгеомониторинга“ Ю.Макушин, — указывающих на происхождение депрессии, при обследовании не обнаружено. Возможно, образование провала связано с активизацией суффозиозных процессов или с техногенными причинами...» Поучается, что целый «КамАЗ» земли просто так исчез? Очень интересное объяснение этой загадке дает научный руководитель лаборатории «Природно-техногенные электромагнитные системы» (ПТЭС) ТПУ Владимир Сальников. Оказывается, все дело в «подземной грозе». Под землей гремят свои «громы», сверкают «молнии». Чтобы понять суть явления, давайте немного обратимся к истории. В начале века физики выдвинули гипотезу «подземной грозы», возникающей в результате накопления электрического заряда в недрах Земли. Результатом подобного «пробоя» могут быть оползни, землетрясения, провалы. В 70-х годах в Томском политехническом институте по инициативе ректора, профессора Александра Воробьева, всерьез взялись за эту проблему, привлекли широкий круг специалистов, в основном геологов и физиков. Минералы и горные породы нагревали, сжимали, облучали и т. д. после чего регистрировали их электромагнитное излучение. Ученые доказали, что «подземная гроза» существует, и огромные толщи горных пород могут генерировать импульсы большой мощности. Это и есть «подземная гроза», выход на земную поверхность которой может порождать эти самые провалы, аномалии, «черные дыры».
Как утверждает Владимир Сальников, основная «подзарядка» подземных молний происходит по техногенным причинам, в силу «энергетической» загрязненности окружающей среды. Поскольку последние десятилетия техногенная, искусственная нагрузка на окружающую среду резко возросла, участились природные аномалии. Особенно в казахстанских степях, в районе Семипалатинского ядерного полигона, где периодически появляются ямы до 4 метров в диаметре. По мнению исследователей, это результат накопления избыточной энергии подземных ядерных взрывов. Обычно она реализуется в виде сейсмических колебаний, здесь же мы имеем техногенно-литосферный выход электромагнитных систем с «всасыванием», захватом вещества, как в космических «черных дырах». Между прочим, — продолжает Владимир Сальников, — мы ожидали эту находку, обнаруженную геологами вблизи Зоркальцева. Мы предполагаем, что провалы в земной поверхности образовались в результате недавних ядерных испытаний в Индии, Пакистане, разрушительных землетрясений в Афганистане, на Камчатке. То есть в литосфере произошла активация, и в результате образовались подобные полости. Предполагаю, что ям, подобных зоркальцевской, появилось множество, и самой различной конфигурации. Но большинство из них идентифицировать довольно сложно. Выход на поверхность электромагнитных систем, например, в болотистой местности обнаружить практически невозможно. В лесу же он будет «замаскирован» растительностью. Почему техногенно-литосферный выход происходит не сразу? Наш многолетний опыт таких исследований подсказывает, что энергия какое-то время накапливается, и лишь потом происходит релаксация…
А опыт, и немалый, у политехников действительно есть. В комитет природных ресурсов по Томской области поступил исследовательский проект по изучению закономерностей генерирования электромагнитных систем в геоактивных зонах литосферой и техногенными процессами. В обосновании говорится, что в лаборатории ПТЭС имеется десятилетний опыт исследования энергоактивных зон с элементами природно-техногенной разгрузки, по прогнозу экологических катастроф, в результате механоэлектрических преобразований в литосфере, вследствие ее природной и техногенной активации сейсмическими явлениями и ядерными взрывами. Разумеется, объяснение феномена «черной дыры» под Зоркальцевом, которое привел Владимир Сальников, — одна из гипотез. Быть может, причины этого явления куда более прозаические, чем эхо ядерных испытаний в Индии и Пакистане. А может, наоборот, гораздо загадочней и экзотичней. Как знать. Одно не вызывает никаких сомнений — подобные феномены, как земные «черные дыры», которые появляются уже много лет и не только у нас, требуют тщательного научного изучения.
Еще 200 лет назад вопросом о влиянии гравитации на распространение света звезд задался ныне мало кому известный английский естествоиспытатель Джон Мишелл. Большинство ученых в те времена считали, что свет состоит из частиц. И Мишелл исходил из того, что частицы света в своем движении будут замедляться тяготением звезды или планеты, от которой они удаляются. Он сделал расчет: какой должна быть наименьшая сила притяжения, чтобы частицы света не могли покинуть их источник. Его вычисления говорили, что небесное тело, весящее в 500 раз больше нашего Солнца, вообще не позволит частицам света покинуть его.
«Если такие тела в природе действительно существуют, — заключал свою работу Мишелл, — их свет нас никогда не достигнет». Идеи ученого на какое-то время привлекли внимание научных кругов, но последователей он не обрел.
Прошло 13 лет, и французский философ Пьер Симон Лаплас, по всей видимости незнакомый с работами Мишелла, пришел к аналогичному выводу. Но тут вскоре было доказано, что свет — волновое явление. Гипотезы Мишелла и Лапласа ученые оставили в стороне. Все, что касалось соображений о взаимодействии света и гравитации, Лаплас в последующих изданиях своих работ вычеркнул.
Теории о путешествиях во времени, пожалуй, остаются одними из самых впечатляющих вслед за разработками в области телепортации, торсионных полей и антигравитации. Впрочем, путешествию во времени не повезло больше — до сих пор не только нет очевидцев перемещения во времени, но и универсального определения времени. В каком-то смысле каждый из нас путешественник во времени, правда, это не впечатляет, тем более что двигаться в этом понимании можно только «вперед».
До Эйнштейна о путешествиях во времени говорили только литераторы, причем идея «времени вспять» принадлежит вовсе не Герберту Уэллсу, а Эдварду Пейджу Митчеллу, издателю газеты New York Sun, который за 7 лет до «Машины времени» опубликовал рассказ «Часы, которые шли назад». В физике о возможности подобных перемещений стало модно размышлять вслед за Эйнштейном. Феномен путешествия во времени с того момента стал объясняться с точки зрения действия пространственно-временного континуума. «Тень» Эйнштейна по сей день «лежит» на всех мало-мальски серьезных рассуждениях на эту тему.
По теории относительности выходит, что при скорости, приближающейся к скорости света, время должно замедляться. Однако скорость света практически недостижима в отличие, скажем, от скорости звука, барьер которой был преодолен в последней четверти прошлого века. Далее, по теории Эйнштейна следует, что, когда тело развивает скорость, близкую к скорости света, его вес начинает увеличиваться и в точке достижения этой скорости практически бесконечен. Еще одна аксиома, которая также сопровождает теории о времени, гласит: первое путешествие, если ему суждено будет произойти, будет связано не с изобретением сверхбыстрого транспорта, а с открытием особой среды, в которой любое транспортное средство могло бы разогнаться до нужной скорости. Коридор во времени может быть образован и сугубо «природными» явлениями: черными дырами, тоннелями, космическими струнами и так далее.
Наиболее вероятным претендентом на «коридор времени» называют черные дыры, о природе которых до сих пор известно крайне мало. Принято считать, что когда звезды, масса которых превышает массу Солнца как минимум в четыре раза, гибнут, то есть когда их «топливо» сгорает, они взрываются из-за давления, вызванного их собственным весом. В результате взрыва образуются черные дыры, гравитационные поля в которых настолько мощны, что эту область не может покинуть даже свет. Всякий объект, достигающий границы черной дыры — так называемого горизонта событий, — всасывается в ее недра, причем снаружи не видно, что происходит «внутри».
Черная дыра окружена гравитационным полем, в котором тела достигают скорости света. Предполагается, что в глубине черной дыры — предположительно, в центре, в так называемой точке сингуляра — законы физики прекращают действовать, и пространственная и временная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие в пространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физики предположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоне воздействия, то где-то там, в «ядре» дыры, должна быть некая «белая дыра», выталкивающая материю со столь же сокрушительной силой.
В центре черной дыры находится коридор, где пространство и время меняют свои характеристики. Однако есть одно «но»: прежде чем тело достигнет зоны, где законы традиционной физики перестают действовать, оно будет разрушено. Эта точка зрения была высказана физиком Калифорнийского института технологии Кипом Торном, автором монографии «Черные дыры и искривление времени».
Торн предложил другой способ достижения необходимого для путешествия во времени ускорения. Он, основываясь на той же теории Эйнштейна, по которой пространство и время везде постоянно, изучал другие «прорехи» в пространственно-временном континууме. Эти норы-тоннели якобы способны возникать между отдаленными объектами благодаря казуальной скрученности пространства. Тоннели могут связывать отдаленные в пространстве точки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торн абсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал для поддержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса.
Еще одна любопытная теория о способах путешествия во времени принадлежит Ричарду Готу — физику из Принстона. Он предположил существование неких космических струн, которые были образованы на ранних этапах формирования вселенной. Согласно теории струн, все микрочастицы образованы замкнутыми в петли крохотными струнами и находятся под чудовищным натяжением в сотни миллионов тонн. Их толщина гораздо меньше размеров атома, однако колоссальная гравитационная сила, с которой они воздействуют на объекты, попадающие в зону их влияния, разгоняет их до колоссальной скорости. Совмещение струн или соположение струны и черной дыры способно создать закрытый коридор с искривленным пространственно-временным континуумом, который и мог бы использоваться для путешествия во времени. Существуют и другие, менее экзотичные способы «обмануть» время. Легче всего это будет сделать астронавтам. Пребывание, к примеру, на Меркурии в течение 30 лет означает, что астронавт вернется на нашу планету более молодым, нежели если бы он оставался на Земле, так как Меркурий вращается вокруг Солнца чуть быстрее Земли. Однако здесь линейный ход времени сохраняется, и в чистом виде путешествием во времени данный феномен называть не стоит. Более того, зафиксировано, что астронавты, которых на орбиты выносит «Шаттл», уже сейчас опережают «земное» время на несколько наносекунд, хотя до скорости света им, мягко говоря, далеко.
Помимо проблем технического характера, физики обсуждают и возможные конфликты времени. Реальная проблема, которая может ждать путешественников, — парадоксы времени. Их возникнет множество, и все они будут связаны с возможным воздействием на ход уже совершенных событий — «парадокс дедушки», например. Большинство теоретиков сошлись на том, что всякое воздействие на ход совершенного создает новую, параллельную реальность либо другую «мировую линию», ничуть не мешающую существованию «исходной». И таких «параллельностей» будет ровно столько, сколько необходимо для непротиворечивого существования каждой из них. Вообще надо заметить, что рассуждения, дискуссии и лекции о природе времени и возможности путешествия во времени до сих пор остаются излюбленным занятием серьезных физиков — своего рода интеллектуальной забавой. В свое время астрофизик NASA Карл Саган в ответ на заявление Стивена Хокинга о том, что, если бы путешествия во времени были бы возможны, среди нас было бы полно «ребят из будущего», парировал, что есть, как минимум, дюжина способов опровергнуть это заявление.
Во-первых, машина времени, к примеру, сможет переносить только в будущее. Во-вторых, машина времени сможет переносить только в недалекое прошлое, а мы — опять же, к примеру — «слишком давно». В-третьих, наши потомки из будущего могут перемещаться только к тем предкам, у которых машина уже есть, и так далее. Как бы там ни было, гипотетическая возможность подобных путешествий сохраняется, и опровергнуть ее не в силах самые язвительные скептики. Более того, теории теориями, а практические разработки все-таки ведутся. Причем с определенными успехами.
Существование черных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то уже роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.
Как бы то ни было, черные дыры в очередной раз продемонстрировали, что считать, будто все их загадки раскрыты, преждевременно. И судя по всему, нас еще ожидает множество сюрпризов…
История предсказаний и поисков черных дыр полна драматизма и до сих пор окончательно не завершена. В этом отношении проблема черных дыр сходна с проблемой внеземных цивилизаций, с той лишь разницей, что в случае внеземных цивилизаций имеется полное единодушие среди физиков и астрономов в том, что эти цивилизации могут существовать, но пока еще не открыты. А в случае черных дыр сложилась парадоксальная ситуация: астрономы почти уверены, что черные дыры открыты, в то время как многие физики не верят в их существование. Слишком уж удивительны и экзотичны свойства этих поистине экстремальных объектов, чтобы можно было легко поверить в их существование.
1. А. Малиновский. Пари Стивена Хоукинга// Компьютерра. – 2004
2. С. Транковский. Черные дыры во вселенной. «Наука и жизнь» № 8, 2000 г., стр. 83 – 87.
3. Кирилл Бронников. Мост между мирами. Библиотека evrika.tsi.lv
4. Пол Дейвис. Сложно, но возможно. www.sciam.ru
www.ronl.ru
Введение
1. Возникновение понятия черной дыры в физике. Общая теория относительности.
2. Начальные стадии образования черной дыры. Нейтронная звезда.
3. Гравитационный коллапс нейтронной звезды
4. Практические методы обнаружения черных дыр в астрономии.
Выводы
Список использованной литературы.
Содержание
Любопытно отметить, что последние 109 г черная дыра излучает за 0,1 с. За это время вырабатывается энергия около 1030 Дж, соответствующая энергии взрыва миллиона мегатонных водородных бомб! Время жизни черной дыры определяемое таким процессом испарения, будет равно:
Отсюда видно, что если черные дыры образовались ~ 1010 лет тому назад, когда Вселенная была очень маленькая и плотная, то до нашей эпохи могли «дожить» только такие дыры, масса которых больше 1015 г. Именно такие дыры (если они, конечно, существуют) и должны «взрываться» в наше время. Из того факта, что таких вспышек мы не наблюдаем, можно сделать вывод, что по крайней мере в Солнечной системе таких «реликтов» нет и что только очень малая часть массы Вселенной может находиться в форме малых черных дыр. Любопытно отметить, что у черной дыры с массой 1015 г, т. е. миллиард тонн, гравитационный радиус ~ 10−13 см, что близко к классическому радиусу электрона…
Огромный теоретический интерес представляет характер коллапса с точки зрения воображаемого наблюдателя, находящегося на коллапсировавшем теле.
Как уже говорилось, момент прохождения сжимающейся звездой сферы Шварцшильда для такого наблюдателя ничем не примечателен. Хотя полной ясности по поводу судьбы сжимающейся звезды у ученых пока нет, все же не видно причин, почему бы ей не сжаться в точку. Ученые в последнее время высказывали предположение, что процесс сжатия может прекратится при плотности ~ 1093 г/см
3. При таких плотностях должны становиться существенными квантовые явления в сильных гравитационных полях, хотя что это такое, никто толком сейчас не знает. Разумеется, как уже подчеркивалось выше, с точки зрения внешнего наблюдателя такая ситуация никогда не реализуется. Но это не значит, что обсуждение этой проблемы лишено какого бы то ни было физического смысла. Ведь шварцшильдовская сфера существует отнюдь не только у звезд. Любая масса, в частности, сколь угодно большая, имеет свой гравитационный радиус. Известно, что если бы средняя плотность вещества во Вселенной превосходила ~ 10−29 г/см
3. Вселенная была бы замкнутой. Но это то же самое, что вся Вселенная находилась бы под своим гравитационным радиусом. Сейчас нельзя исключить возможность, того, что если не вся Вселенная, то ее отдельные, достаточно большие и массивные части находятся внутри своих шварцшильдовских сфер. Например, некоторые теоретики считают, что в ядрах галактик имеются весьма массивные черные дыры.
Одной из важных задач астрофизики является практическое обнаружение черных дыр, точнее неких космических объектов, которые по своим характеристикам могут быть черными дырами.
В принципе сейчас можно указать, по крайней мере, на три вида таких наблюдений:
1. Поиски «невидимых» черных дыр в двойных (или кратных) звездных системах.
2. Поиски черных дыр в двойных звездных системах, являющихся мощными источниками рентгеновского излучения.
3. Поиски гравитационного излучения, сопутствующего коллапсу.
Что касается поисков невидимых, но достаточно массивных компонентов в двойных системах, то следует заметить, что эта задача столь же трудна, как и неопределенна. Хотя в последние годы обращалось внимание на несколько «подозрительных» двойных систем (в том числе знаменитая система Лиры, а также Близнецов, Водолея и ряд других объектов), результаты их анализа все же не отличаются определенностью, а главное, однозначностью. Ведь «невидимость» массивной компоненты не обязательно объясняется ее «чернодырной» природой. Звезды обнаруживают удивительное разнообразие характеристик, особенно в двойных системах. Кроме того, нельзя исключить возможность того, что вокруг «подозреваемой» звезды имеется пылевое облако, делающее ее невидимой.
Значительно более перспективными представляются попытки обнаружить черные дыры в тесных двойных системах по рентгеновскому излучению одной из компонент.
Можно представить тесную двойную систему, одной из компонент которой является черная дыра. «Оптическая» компонента у такой системы может заполнять свою полость Роша и мощная струя газа будет падать на черную дыру.
Явление падения струи газа на поверхность звезды под действием ее гравитационного поля носит название аккреции. Явление аккреции широко распространено в двойных звездах, где оно является причиной появления мощного рентгеновского излучения.
Так как струя газа несет с собой большой вращательный момент, то она образует вокруг черной дыры быстро вращающийся газовый диск. Частицы, образующие диск, будут вращаться вокруг черной дыры приблизительно по закону Кеплера. Из-за вязкости частицы диска будут непрерывно терять вращательный момент и часть их будет постепенно «оседать» в черную дыру. В процессе такого оседания, как можно показать, газ будет излучать во внешнее пространство часть своей гравитационной потенциальной энергии.
В процессе оседания газа в черную дыру температура внутренних частей диска станет очень высокой. Такой диск может быть мощным источником рентгеновского излучения. Мощность и спектр излучения в первом приближении такие же, как и от нейтронных звезд — рентгеновских пульсаров. Разумеется, рентгеновское излучение при аккреции газа на черную дыру не может носить характер строго периодических импульсов. Но ведь далеко не все рентгеновские пульсары — нейтронные звезда — излучают «секундные» импульсы. Этому может, например, помешать сильное рассеяние или «неблагоприятная» (по отношению к земному наблюдателю) ориентация оси вращения нейтронной звезды. В то же время рентгеновский источник — горячий компактный диск, вращающийся вокруг нейтронной звезды, может из-за своего орбитального движения вокруг «оптической компоненты» периодически затмеваться точно так же, как и рентгеновский пульсар.
Таким образом, в принципе, среди рентгеновских источников — компонент тесных двойных систем могут быть и черные дыры. Решающий тест, позволяющий отличить черную дыру от нейтронной звезды, состоит в определении массы такого рентгеновского источника. К сожалению, эта задача оказывается далеко не простой. Из зависимости лучевых скоростей оптической звезды от времени, вызванной ее орбитальным движением вокруг центра тяжести системы, можно получить только функцию массы, но отнюдь не массу «невидимого» рентгеновского источника. Если бы рентгеновский источник имел пульсирующую строго периодическую компоненту, то в сочетании с анализом кривой лучевых скоростей оптической компоненты можно было бы определить массы каждой из компонент. Но в случае рентгеновского источника, связанного с черной дырой, пульсирующей компоненты в рентгеновском излучении не может быть. При такой ситуации приходится применять разного рода косвенные методы, далеко не всегда надежные.
Уже несколько лет обсуждается возможность того, что яркий рентгеновский источник Лебедь Х-1 обусловлен черной дырой. Как известно, этот источник надежно отождествляется с яркой звездой класса В, у которой длины волн спектральных линий меняются с периодом 5,6 дня. И вот появилось сообщение, что длина волны линии излучения ионизованного гелия в спектре этой звезды меняется с тем же периодом, но с противоположной фазой. Если бы эти наблюдения подтвердились, то естественно было бы считать, что эта линия излучения возникает не в атмосфере «оптической» звезды, а в газовой струе около рентгеновского источника или в окружающем его диске. Тогда понятно, почему изменения лучевых скоростей этой линии противоположны по фазе изменениям лучевых скоростей других линий. Из измеренного отношения амплитуд лучевых скоростей, как легко понять, непосредственно находится отношение масс. Так как масса оптической звезды класса В около 20 М (, а отношение амплитуд лучевых скоростей оказалось равным 1: 2, то сразу же следовал важнейший вывод, что масса рентгеновской звезды около 10 М (. Так как верхний предел массы нейтронных звезд около 2,5 М (, то выходило, что источник Лебедь Х-1 — черная дыра. Большинство исследователей считают, что компактная рентгеновская компонента Лебедя Х-1 имеет массу, превышающую шесть солнечных, следовательно, является черной дырой.
Но этот результат нуждается в проверке и уточнении. Обнаружение других возможных кандидатов в «черные дыры» еще впереди.
Выводы
Еще двадцать лет назад мало кто верил в саму возможность существования черных дыр. Гипотеза о черных дырах привлекла к себе внимание после открытия нейтронных звезд. И удивительное дело — черные дыры сразу «пришлись ко двору» в астрофизике. Им нашлось место не только в виде остатков при вспышках сверхновых, но и в ядрах шаровых скоплений, галактик и квазаров.
После открытия Хокингом явления квантового испарения черных дыр особое значение приобрел вопрос о космологической роли малых черных дыр. Гипотеза об элементарных черных дырах (максимонах) не только интересна своими возможными космологическими следствиями, но и существенна для физики элементарных частиц. Виртуальные черные дыры станут, вероятно, важным элементом будущей квантовой теории гравитации. Исследование свойств черных дыр привело к обнаружению глубоких связей между гравитацией, квантовой теорией и термодинамикой. Все это (и в особенности факт, что участие черных дыр в физических процессах приводит к ряду качественно новых закономерностей) привело к возникновению за последние 10 —
1. лет, по сути дела, новой области физики — физики черных дыр со своим объектом исследования и своими проблемами. Последние зачастую носят очень фундаментальный характер, а объект настолько удивителен, что эта область привлекает внимание многочисленных исследователей.
В работе основном внимание было уделено процессам образования черных дыр, стадиям их образования и тому, на основе чего и возникают черные дыры. Не затрагивая особо математику, рассчитано критическую массу образования черной дыры и ее гравитационный радиус. Также рассмотрено методы обнаружения черных дыр и несколько препендентов на роль такого объекта.
Физика черных дыр — наука молодая и быстро развивающаяся. Хочется надеяться, что в этом развитии не только устранятся существующие в настоящее время неясности, но и что она сможет порадовать физиков новыми, быть может, еще более неожиданными результатами.
Список использованной литературы.
Бисноватый-Коган И. С. Физические фопросы звездной эволюции. — М.: Наука, 1989. — 482 с.
Воронцов-Вельяминов Б. А. Очерки о вселенной. 8-е изд. М.: Наука, 1980, 248 с.
Гиндилис Л.М. 1990. Андрей Дмитриевич Сахаров и поиски внеземных цивилизаций // Земля и Вселенная. 1990. N 6. С. 63−67.
248 с.. льяминов Б. А. Очерки о вселенной. массы, радиуса и т. п. с временем жизни самой звезды. ии характера звезд М.: Наука, 1984, 196 с.
Климишин И. А. Астрономия наших дней. 3-е изд. М.: Наука, 1986, 286 с.
Климишин И. А. Открытие Вселенной. 2-е изд. М.: Наука, 1992, 248 с.
Климишин А. В. Астрономия. М.: Наука, 1992., 237 с.
Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии: Учебное пособие. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 544 с.
Новиков И. Д. Энергетика черных дыр. — М.: Знание, 1986. 57 с.
Новиков И. Д., Фролов И. П. Физика черных дыр. — М.: Наука, 1986. — 322 с.
Рис М., Руффини Р., Уиллер Дж. Черные дыры, гравитационные волны и космология. Введение в современные исследования. Пер с англ. — М.: мир, 1977. — 376 с.
Чернин А. Д. Звезды и физика. Библиотека «Квант». — М.: Наук, 1984. — 164 с.
Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. В 2-х т. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.
Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1984, 342 с.
18
1.Бисноватый-Коган И. С. Физические фопросы звездной эволюции. — М.: Наука, 1989. — 482 с.
2.Воронцов-Вельяминов Б. А. Очерки о вселенной. 8-е изд. М.: Наука, 1980, 248 с.
3.Гиндилис Л.М. 1990. Андрей Дмитриевич Сахаров и поиски внеземных цивилизаций // Земля и Вселенная. 1990. N 6. С. 63−67.
4.Ефремов И. Н. Из глубины Вселенной. М.: Наука, 1984, 196 с.
5.Климишин И. А. Астрономия наших дней. 3-е изд. М.: Наука, 1986, 286 с.
6.Климишин И. А. Открытие Вселенной. 2-е изд. М.: Наука, 1992, 248 с.
7.Климишин А. В. Астрономия. М.: Наука, 1992., 237 с.
8.Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии: Учебное пособие. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 544 с.
9.Новиков И. Д. Энергетика черных дыр. — М.: Знание, 1986. 57 с.
10.Новиков И. Д., Фролов И. П. Физика черных дыр. — М.: Наука, 1986. — 322 с.
11.Рис М., Руффини Р., Уиллер Дж. Черные дыры, гравитационные волны и космология. Введение в современные исследования. Пер с англ. — М.: мир, 1977. — 376 с.
12.Чернин А. Д. Звезды и физика. Библиотека «Квант». — М.: Наук, 1984. — 164 с.
13.Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. В 2-х т. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.
14.Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1984, 342 с.
список литературы
referatbooks.ru
1.<span Times New Roman"">
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….32.<span Times New Roman"">
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ………………………………………………………………………...53.<span Times New Roman"">
ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР3.1. Вращающиеся черные дыры……………………………………………………...11
3.2. Черные дыры с электрическимзарядом…………………………………….13
4.<span Times New Roman"">
В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР…………………………………………………..165.<span Times New Roman"">
КАНДИДАТЫ НА РОЛЬ ЧЕРНЫХ ДЫР………………………………196.<span Times New Roman"">
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………217.<span Times New Roman"">
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………...……………23В В Е Д Е Н ИЕ
…черные дыры – это самыесовершенные
макроскопические объекты воВселенной.
Ведь для их построения достаточно поня- тий о времени и пространстве. С. ЧандрасекарВ последнее время внимание астрономовпривлекло одно из самых странных в мире открытий. В соответствии с общейтеорией относительности в космосе должны существовать объекты, которые обладаютстоль сильными гравитационными полями, что планеты, звезды, астероиды и другиелюбые тела, затянутые в них, просто разрушаются. Еще более странно то, что,попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестаетсуществовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют черными дырами<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[1]
.<div v:shape="_x0000_s1040">
Рис. 1. Возможно, так выглядит черная дыра в космосе. Скопление звезд около нее — оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением пространства в окрестности дыры
В последние годы проблема черных дырвызывает огромный интерес, хотя сама идея не нова, ей уже около 200 лет.Английский астроном Джон Митчелл еще в 1784 году доказал, что если масса звездыбудет достаточно велика, то свет не сможет покинуть ее, т. е. для нас она будетневидима. Через несколько лет к такому же выводу пришел французский ученый ПьерЛаплас.Обнаружение черных дыр изумило научнуюобщественность и побудило известного американского физика-теоретика К. Торнанаписать следующие строки: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогови химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ чернойдыры – отделенной от остального пространства определенной границей, которуюничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационнымполем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющейпространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыракажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем вреальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактическитребуют, чтобы черные дыры существовали»<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[2]
.Черные дыры должны играть значительнуюроль во Вселенной. Так, по предварительным подсчетам, только в нашей Галактикенасчитывается около миллиарда черных дыр. Предполагают, что в центрах шаровыхскоплений звезд, а также в центре Галактики находятся черные дыры. Естьгипотезы, согласно которым необычно высокое излучение квазаров и так называемыйпарадокс масс объясняются влиянием черных дыр. И вообще астрофизики все чащеначинают объяснять различные загадочные космические явления действием черныхдыр.
Не исключено, что черные дыры могутактивно влиять и на дела земные. Эти экзотические космические тела могут«подсказать» людям принципиально новые источники энергии. Так, например, при падениивещества в черную дыру на единицу массы выделяется энергия, имеющая величину напорядок большую, чем в ядерных реакциях. Или другой пример, связанный сэффектом испарения черных дыр. Этот эффект имеет существенное значение длямикрочерных дыр, характеризующихся мизерными размерами (порядка размеровэлементарных частиц и меньше), но довольно ощутимой по земным масштабам массой(около 1 млрд. т.). На последней стадии испарения, когда масса черной дырыстановится равной примерно 1 тыс. т., за одну десятую доли секунды выделяетсяэнергия, равная энергии взрыва миллиона мегатонных термоядерных бомб!
Пока еще трудно конкретно что-либо сказатьо практических путях использования энергии черных дыр. Не исключено, что вбудущем черные дыры смогут послужить человечеству не только как самые мощные икомпактные источники энергии, но и как наиболее экологически чистые,поглощающие отработанное вещество.
Физика и астрофизика черных дыр получилиширокое признание научной общественности. Им посвящено множество статей,десятки монографий, проблемы черных дыр активно обсуждаются на научныхконференциях. Фактом признания важности этих проблем для науки в целом былоприсуждение в 1983 г. Нобелевской премии американскому ученому С. Чандрасекару за цикл работ по эволюциизвезд<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[3]
.ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Черныедырыявляются абсолютно поглощающими объектами: они только вбирают в себявещество и излучение, но ничто, даже свет, не может вырваться из них. Чёрныедыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх массСолнца.
Джон Мичел в1783 г. представил в журнал «Философские труды ЛондонскогоКоролевского общества» свою работу, в которой он указывал на то, что достаточномассивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле,что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенныйповерхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет, втянут обратно еегравитационным притяжением<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[4]
.Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то, что ихнельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы, тем не менее, должныощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас чернымидырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическомпространстве.Чтобы понять, как возникает черная дыра,надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды.
В первой половине ХХ в. были заложены основы теории эволюции звезд исделан вывод о том, что конечным продуктом их эволюции могут быть объекты,имеющие размеры своего гравитационного радиуса, а именно — черные дыры.
Звездные объекты в своей эволюции проходяттри качественно различные стадии:протозвезды – звезды – постзвезды. На каждой стадии происходит необратимаяпотеря энергии. Звезды образуются из так называемых протозвезд, которым предшествуют сжимающиеся облака вещества<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[5]
.Когда сжимающееся облако станетнепрозрачным для своего инфракрасного излучения, его излучательность резкоуменьшится. Облако продолжает сжиматься, но несколько медленнее. Одновременнобольшая часть освобождающейся в результате сжатия потенциальной энергии идет нанагрев облака. Такой объект нельзя назвать облаком: это уже настоящая протозвезда(до-звезда).
Протозвезда – эмбрион, зародыш настоящейзвезды. Эмбриональный период в развитии звезды длится десятки миллионов лет. Втечение данного периода плотность протозвезды увеличивается, а температураповышается до уровня, достаточного для протекания термоядерных реакций в еецентральных областях.
В результате образования протозвезды издиффузного облака потенциальная гравитационная энергия переходит в тепловую,которая затем излучается. Протозвезда самопроизвольно не может стать облаком,так как необходимая энергия рассеяна. Нужен некоторый дополнительный источникэнергии, чтобы вещество протозвезды могло рассеяться в космическоепространство.
С началом протекания термоядерных реакцийзаканчивается эмбриональный период в развитии звездного объекта и наступаетпериод его активной жизни. Это и есть рождение звезды. В активный период, которыйдлится миллиарды лет, звезда излучает энергию за счет термоядерных реакций,протекающих в ее недрах. С образованием звезды прекращается процесс сжатия, таккак устанавливается равновесие между тепловым давлением вещества звезды игравитационным давлением, которое стремится сжать звезду. Наступает периодмедленной эволюции, постепенного выгорания ядерного горючего.
Запасы ядерного горючего в звезде хотя иогромны, но конечны. После исчерпания источника ядерной энергии звезда«умирает», образуется звездный «труп» — постзвезда.Под термином «постзвезда» понимаются космические объекты, являющиеся конечнымпродуктом эволюции звезд. В этот класс объектов входят белые карлики,нейтронные звезды, черные дыры, а также гипотетические гиперонные звезды и «пигмеи».
Звезда, исчерпавшая свое ядерное горючее,возможно, сразу и не образует черной дыры в результате прямого релятивистскогоколлапса. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапсрастягивается на миллионы лет, но для массивных звезд он происходит практическимгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем затысячную долю секунды звезда превращается в черную дыру. Вскоре после началасжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается,и фотонам становится все труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом,имеют искривленную траекторию (как следует из общей теории относительности). Теже, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются наорбите вокруг звезды, и через долю секунды не один фотон уже не может вырваться– звезда прошла то, что называется горизонтомсобытий<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[6]
. Мы уже не можем непосредственнонаблюдать ее; на томместе, где была звезда, видна только черная сфера.Гало, вызываемое веществом, падающим в черную дыру
Горизонт событий (гравитационный радиус)
Сечение горизонта событий
Фотонная сфера
Рис. 2. Черная дыра «в разрезе». Показаны горизонт
событий и cингулярность в центре.
Однаковещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапспродолжается вечно, и, в конце концов, вещество сжимается до нулевого объема вцентре звезды. Этот центр называется сингулярностью<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[7]
.Следовательно, образование черных дыр для космической материи представляетсобой не формальную возможность, а является закономерным и неизбежным этапомэволюции.УравнениеШварцшильда
В 1916 г., всего лишь через несколькомесяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения гравитационногополя в общей теории относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел ихточное решение, которое, как оказалось впоследствии описывает геометриюпространства-времени вблизи идеальной черной дыры<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[8]
.Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру,характеризующуюся только массой.Породившая эту черную дыру гипотетическая умирающая звезда должна не вращатьсяи быть лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. Веществотакой умирающей звезды падает по радиусу «вниз» к центру звезды, и говорят, чтополучившаяся черная дыра обладает сферической симметрией. Такая шварцшильдовская черная дыра представляетсобой самый простой из всех возможных типов черной дыры. Она состоит изсингулярности, окруженной горизонтом событий на расстоянии 1 шварцшильдовскогорадиуса.Для понимания того, что представляет собойчерные дыры, важное значение имеет так называемый гравитационный радиус. Размеры дыр характеризуются гравитационнымрадиусом, равным
Rg = 2GM/с2
где G – гравитационная постоянная:G = 6,67 * 10-11H * м2* кг-2; М – масса тела; с – скорость света в вакууме: с = 3,00 * 108 м * с-1.
Сфера, описанная гравитационным радиусом,называется сферой Шварцшильда<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[9]
.Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временнаякоордината обращается в нуль, а пространственная в бесконечность.Гравитационный радиус (а следовательно, и сфера Шварцшильда) задается одной переменной– массой, т.е. телу с определенной массой должен соответствовать конкретныйгравитационный радиус. Если взять любоетело и мысленно поместить его массу под сферу Шварцшильда, то тело сжимается иполучается черная дыра. Если же представить обратное: та же масса не сжимается, арасширяется под сферой Шварцшильда, то данный объект – белая дыра. Найтиестественные механизмы того, как тело может сжаться до гравитационного радиусаили оказаться под ним, — значит объяснить природу образования черных и белыхдыр во Вселенной.Поверхность Шварцшильда задает особенностиповедения черной дыры для удаленного наблюдателя. Быстрое сжатие вблизи сферыШварцшильда для наблюдателя резко замедляется. Когда поверхность черной дырыприближается к сфере Шварцшильда, темп времени стремится к нулю, а силы – кбесконечности. Уравнение движения таково, что поверхность черной дыры достигаетсферы Шварцшильда за бесконечный промежуток времени. Но за очень короткое время(порядка 10-3с) для внешнего наблюдателя объектисчезает. Из черной дыры для данного наблюдателя не поступают никакие сигналы.Она себя никак не проявляет, за исключением гравитационного статического поля,и представляет собой односторонний «клапан».
Черные дыры известны в науке и под другиминазваниями: застывшаязвезда, гравитационная могила, коллапсар, флуктуар, отон<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[10]
.Во всех этих названиях нашли отражение различные свойства и особенности черныхдыр. Так, термин «застывшая звезда»отражает тот факт, что отдаленного наблюдателя процессы, происходящие на чернойдыре, очень замедляются, как бы застывают. Название «гравитационная могила» говорит о том, что космическая материя,оказавшаяся в черных дырах, якобы выходит из активных процессов развития, какбы умирает. В термине «коллапсар»нашел отражение процесс образования черных дыр, которые рождаются из веществазвезды в результате катастрофического гравитационного сжатия – релятивистскогоколлапса. В названии «флуктуар»переданы опосредованные особенности черных дыр, проявляющиеся себя черезфлуктуирующее (произвольно меняющееся) излучение окружающего их вещества.Термин «отон» обозначает болееширокий класс релятивистских объектов, предсказанных ОТО, в который кромечерных дыр входят еще белые и серые дыры.Только в одном белые дыры подобны черным: и те и другие – дыры, вовсем остальном они различны. Белые дыры называют антиколлапсарами, так как в отличие от черных дыр они не сжимаются,а расширяются – антиколлапсируют. Если черная дыра – коллапсирующий отон, тобелая – антиколлапсирующий. Иногда белые дыры называют малыми взрывами (в отличиеот Большого Взрыва, который привел к возникновению и последующему расширениюнашей Метагалактики). Согласно одному из возможных вариантов образования белыхдыр, предложенному советским астрофизиком И.Д. Новиковым, они возникли врезультате задержки в так называемых ядрах части материи Большого Взрыва. Всвязи с этим белые дыры иногда называют задержавшимисяядрами.
Свойства черных и белыхдыр объединены в серых дырах. Так,серая дыра, антиколлапсируя и проявляя себя вначале как белая звезда, затемколлапсирует под гравитационный радиус и превращается в черную дыру. Приопределенных условиях это неоднократно повторяется, отон как бы колеблется,осциллирует, и в данном случае серая дыра называется осциллирующим отоном. При более детальном анализе серых дыр можновыделить светло- и темно-серые дыры. Но всем отонам присуще одно общее свойство– они являются дырами в пространстве-времени.
ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Вращающиесячерные дыры
Черная дыра, о которой шла речь выше,относится к невращающимся. Однако большинство, если не все, звезды вращаются,и, следовательно, вращаются образовавшиеся из них черные дыры.
Мысль о том, что достаточно реалистическиемодели черных дыр должны обладать вращением, не нова. Однако целых пятьдесятлет после создания общей теории относительности во всех расчетах использовалосьтолько решение Шварцшильда. Все понимали, что нужно учитывать влияние вращения,но никто не мог правильно решить уравнения Эйнштейна. Собственно говоря, полноерешение уравнений гравитационного поля с учетом вращения должно зависеть отдвух параметров – массы черной дыры и момента количества движения дыры. Крометого, это решение должно быть асимптотически плоским, т. е. вдали от чернойдыры пространство-время должно становиться плоским. Но уравнениягравитационного поля настолько сложны математически, что никому не удавалосьотыскать ни одного точного решения, удовлетворяющего этим простым требованиям.
Решительный шаг вперед в этом направлении былсделан в 1963 г., когда Рой Керр, австралийскийматематик, работавший тогда в Техасскомуниверситете, нашел полное решение уравнений гравитационного поля вращающейсячерной дыры<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[11]
.Решение это сложнее предложенного Шварцшильдом, и соответственно сложнееповедение черной дыры. Впервые почти за полсотни лет после основополагающейработы Эйнштейна астрофизики получили, наконец, математическое описаниегеометрии пространства-времени, окружающего массивный вращающийся объект. В1975 году была доказана единственность решения Керра. Получение решения Керраявляется одним из важнейших достижений теоретической астрофизики середины ХХ в.Как только наблюдатель приблизится кчерной дыре Керра, он начнет вращаться в том же направлении, что и эта дыра. Ичем ближе он к этой черной дыре, тем выше будет скорость вращения. Наопределенном расстоянии от оси вращения он обнаружит, что вращается соскоростью, близкой к световой. Та поверхность, на которой это произойдет,называется статическим пределом. Если же проникнуть за него, то можнообнаружить, что в такой черной дыре есть свой горизонт событий, и так же, как вслучае со шварцшильдовской черной дырой, форма у него сферическая. С другойстороны, поверхность, соответствующая статическому пределу, сплющена и соприкасаетсяс горизонтом событий только у полюсов. Область между этими поверхностяминазывается эргосферой<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[12]
.Попав за горизонт событий, мы обнаружим сингулярность, хотя и отличную отпредыдущей – тут она имеет форму кольца. Есть и другое важное отличие. Эйнштейнпоказал, что в случае шварцшильдовской черной дыры, для того, чтобы пройтичерез связанную с ней кротовую нору, необходимо иметь скорость больше световой.В случае, рассмотренном Керром, скорость может быть меньше световой.
Рассмотрим подробнее коллапс вращающейсязвезды. Прежде всего, нам известно, что если звезда вращается, то по мересжатия она будет вращаться все быстрее в соответствии с законом сохранениямомента импульса. У коллапсирующей звезды, даже при небольшой скорости вращения(такой, как, например, у Солнца), к концу коллапса скорость возрастает настолько, что, не успев стать черной дырой, такая звезда разлетится. Для того,чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна уменьшить скорость вращения, и,очевидно, со многими именно так и происходит. Поэтому логично предположить, чтобольшинство массивных звезд превращаются в черные дыры Керра.
Предсказаны еще два типа черных дыр.Возможно, в природе их нет, но теоретически они очень важны. Когда звездапревращается в черную дыру, почти все ее характеристики растворяются всингулярности. Мы никогда точно не узнаем ни ее температуру, ни состав: они утрачиваются припревращении звезды в черную дыру. Остаются только три характеристики: масса, момент вращения изаряд. Это и определяет существование четырех типов черных дыр. Кроме черныхдыр Шварцшильда и Керра существуют черные дыры Рейснера – Нордстрема(невращающиеся заряженные) и черные дыры Керра – Ньюмена (вращающиесязаряженные)<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[13]
.В 1971 году английский теоретик РоджерПенроуз доказал, что из черных дыр, обладающих спином и (или) зарядом, можноизвлекать энергию<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[14]
.Если в эргосферу запустить, к примеру, шарик, то он разорвется. При этом частьего попадет за горизонт событий, тогда как другая окажется во внешнемпространстве, причем энергия этой части будет больше, чем у всего шарика,первоначально попавшего в эргосферу. Таким образом, из черной дыры Керра этапотеря энергии выразится в замедлении вращения.Черныедыры с электрическим зарядом
Начиная с середины ХХ в. разработку теорииэлектромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл располагал большими количествамиинформации об электрическом и магнитном полях. В частности, удивительным былтот факт, что электрические и магнитные силы убывают с расстоянием в точноститак же, как и сила тяжести. И гравитационные, и электромагнитные силы – этосилы большого радиуса действия. Ихможно ощутить на очень большом удалении от их источников. Напротив, силы,связывающие воедино ядра атомов, — силы сильного и слабого взаимодействий –имеют короткий радиус действия. Ядерныесилы дают о себе знать лишь в очень малой области, окружающей ядерныечастицы.
Большой радиус электромагнитных сил означает, что физик, находясьдалеко от черной дыры, может предпринять эксперименты для выяснения, заряжена эта дыра или нет. Если у чернойдыры имеется электрический заряд (положительный или отрицательный) илимагнитный заряд (соответствующий серному или южному магнитному полюсу), тонаходящийся вдалеке физик способен при помощи чувствительных приборов обнаружитьсуществование этих зарядов. Таким образом, кроме информации о массе не теряетсятакже информация о заряде черной дыры.
Во время первой мировой войны Г. Райснер и Г. Нордстрём открылирешение эйнштейновских уравнений гравитационного поля, полностью описывающее«заряженную» черную дыру. У такой черной дыры может быть электрический заряд(положительный и отрицательный) и/или магнитный заряд (соответствующийсеверному или южному магнитному полюсу). Если электрически заряженные тела –дело обычное, то магнитно заряженные – вовсе нет. Тела, у которых естьмагнитное поле (например, обычный магнит, стрелка компаса, Земля), обладаютобязательно и северным и южными полюсамисразу. До самого последнего времени большинство физиков считали, чтомагнитные полюсы всегда встречаются только парами. Однако в 1975 году группаученых из Беркли и Хьюстона объявила, что в ходе одного из экспериментов имиоткрыт магнитный монополь<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[15]
. Если эти результаты подтвердятся, тоокажется, что могут существовать и отдельные магнитные заряды, т. е. чтосеверный магнитный полюс может существовать отдельно от южного, и обратно.Решение Райснера-Нордстрёма допускает возможность существования у черной дырымагнитного поля монополя. Независимо от того, как черная дыра приобрела свой заряд,все свойства этого заряда в решении Райснера-Нордстрёма объединяются в однухарактеристику – число Q.При этом геометрия пространства-времени в решении Райснера-Нордстрема независит от природы заряда. Он может быть положительным, отрицательным, соответствоватьсеверному магнитному полюсу или южному – важно лишь его полное значение,которое можно записать как |Q|.Итак, свойства черной дыры Райснера-Нордстрёма зависят лишь от двух параметров– полной массы дыры М и ее полного заряда |Q| (иными словами, от его абсолютной величины).Чтобы проще подойти к пониманию особенностей решенияРайснера-Нордстрёма, рассмотрим обычную черную дыру без заряда. Как следует изрешения Шварцшильда, такая дыра состоит из сингулярности, окруженной горизонтомсобытий. Теперь представим себе, что мы придали этой черной дыре небольшойэлектрический заряд. Как только у дыры появился заряд, мы должны обратиться крешению Райснера-Нордстрёма для геометрии пространства-времени. В решенииРайснера-Нордстрёма имеются двагоризонта событий. Именно, с точки зрения удаленного наблюдателя, существуютдва положения на разных расстояниях от сингулярности, где время останавливаетсвой бег. При самом ничтожном заряде горизонт событий, находившийся ранее на «высоте» 1 швардшильдовского радиуса,сдвигается немножко ниже к сингулярности. Но еще более удивительно то, что сразу же вблизи сингулярности возникаетвторой горизонт событий. Таким образом, сингулярность в заряженной черной дыре окружена двумя горизонтами событий – внешним и внутренним<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[16]
.Еслимы будем увеличивать заряд черной дыры, то внешний горизонт событий станетсжиматься, а внутренний – расширяться. Наконец, когда заряд черной дырыдостигнет значения, при котором выполняет равенство М = |Q|, оба горизонта сливаются друг сдругом. Если увеличить заряд еще больше, то горизонт событий полностьюисчезнет, и остается «голая» сингулярность. При М < |Q| горизонты отсутствуют, так чтосингулярность открывается прямо во внешнюю Вселенную. Такая картина нарушаетзнаменитое «правило космической этики», предложенное Роджером Пенроузом.
Всякий раз при пересечении горизонта событий пространство ивремя меняются ролями. Это значит, что в заряженной черной дыре из-за наличиядвух горизонтов событий полная смена ролей у пространства и времени происходитдважды.
В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР
Объект, который по определению нельзявидеть, естественно, нелегко обнаружить. Как же астрономы собираются искатьчерные дыры?
Конечно, черную дыру нельзя увидеть спомощью любого доступного астрономам телескопа, начиная от радиотелескопов икончая <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g
-детекторами.Тем не менее, можно использовать косвенные методы, связанные с теми гравитационными эффектами, которыечерная дыра вызывает в окружающем веществе.<img src="/cache/referats/18330/image007.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1031">
B <img src="/cache/referats/18330/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1035"> <img src="/cache/referats/18330/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1036"> <div v:shape="_x0000_s1034">
Рис. 3. В двойном рентгеновском источнике возникает рентгеновское излучение от диска аккреции вокруг компактной звезды В (черная точка). Диск образуется тем веществом, которое звезда В притягивает с поверхности своего спутника А. Стрелки указывают вращение двойной системы
Рис. 4. Пара звезд А и В, вращающихся вокруг их общего центра масс С. образует систему двойной звезды
Идеальными в этом смысле являются двойныезвезды. На рисунке показана пара звезд А и В, вращающихся друготносительно друга. В такой ситуации наблюдатель видит периодическое изменениеположения А и В в пространстве.Через определенный промежуток времени звезды А и В возвращаютсяв исходное положение. Такие пары звезд встречаются довольно часто и называются двойными звездами<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[17]
.Предположимтеперь, что звезды А и В достаточно близки друг к другу в том смысле, чторазделяющее их расстояние не сильно превышает сумму их радиусов. Когда звездытак близки, каждая из них стремится оторвать часть вещества с поверхности своейсоседки.
Такое взаимодействие носит название приливного взаимодействия<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[18]
.Таким образом, когда звезда В оказывает приливную силу на звезду А, ближайшее кВ вещество звезды А начинает перетекать в направлении к В, и наоборот.Представим теперь ситуацию, когда Аявляется звездой-гигантом, а В –черной дырой. Если предположить, что А достаточно близко к В, то вещество будетперетекать от А к В, но не наоборот. Дело в том, что из черной дыры невозможноизвлечь вещество. Вещество, отнятое у А, не попадает сразу в В, а вращаетсявокруг нее, пока постепенно не поглотится. Так происходит потому, что звезды Аи В вращаются друг относительно друга, следовательно, любое вещество,покидающее А, стремится вращаться вокруг В, а не попадать сразу на нее.
Такой непрерывный круговорот веществаобразует дискообразную структуру, которая может простираться вокруг черной дырыдо расстояний, равных нескольким шварцшильдовским радиусам. Так как падающее начерную дыру вещество представляет собой очень плотный и горячий газ, то этот газ начинает излучать, в основном,рентгеновское излучение. Ряд астрофизиков в 60-е годы разработали представлениео таком диске аккреции, окружающемчерную дыру в двойной системе<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[19]
.Благодаря недавно возникшей рентгеновской астрономии появились надежды наобнаружение черных дыр указанным способом.При таком подходе возникает, однако,неопределенность. То, что было сказано до сих пор о черных дырах, относится и кнейтронным звездам. Если звезда В является нейтронной звездой, она так же будетобразовывать вокруг себя диск аккреции, испускающий рентгеновское излучение.
Таким образом, если мы обнаружимрентгеновский источник, связанный с двойной системой, в которой одна звездавидима, то все что мы можем сказать, это то, что другая звезда является либонейтронной звездой, либо черной дырой. Но как узнать, с чем мы имеем дело?
Именно здесь и следует вспомнить о пределена массу, равном 2М<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">o
,для стабильных нейтронных звезд. Если по наблюдениям движения видимыекомпоненты А мы можем определить массу ее компаньона В и если эта массаокажется меньше 2Мo,мы можем сделать вывод, что В является нейтронной звездой. Но если окажется,что масса В существенно больше 2Мo, есть основания полагать, что мы имеем дело с чернойдырой.Дополнительной проверкой может статьрегистрация флуктуаций рентгеновского излучения от двойного источника. Чембыстрее флуктуации, тем меньше дискаккреции. Поскольку черные дыры более компактны, чем нейтронные звезды, ихдиски аккреции соответственно несколько меньше. Таким образом, от черной дырыследует ожидать возникновения очень быстрых вариаций рентгеновского излучения.
Помимо двойных систем, черные дырыисследовались теоретиками с различных точек зрения. Так как черная
www.ronl.ru
