Черные дыры

Несколько лет назад группа американских и японских астрономов направила  свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена  от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью  любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в  ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газовые облака, в которых  молекулы благодаря внешней "накачке" излучают радиоволны в микроволновой  области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел. Японский астроном Макото Мионис и  его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение  ее космического мазера. Оказалось, что  облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового  года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит  о том, что в центре сосредоточена  гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс. Астрономы  отбросили предположение о том, что такое количество материи  может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.

Американским астрономам удалось  зафиксировать рентгеновское излучение  от супермассивных черных дыр, которые  до недавнего времени считались "тихими". Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых  массивных галактик и имеют массу  сравнимую с массой миллиардов Солнц, сжатую до размеров Солнечной системы. В то время, как небольшой процент  супермассивных черных дыр излучают мощные рентгеновские потоки (известны как активное галактическое ядро), огромное большинство массивных  черных дыр рентгеновским излучением не обладает. Последние наблюдения показали, что "тихие" супермассивные черные дыры также имеют рентгеновское  излучение, но гораздо меньшее чем  активное галактическое ядро. Новые  результаты вселяют надежду, что  супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе  и нашей, и могут стать ключом в вопросе происхождения Вселенной.

 

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 не вращающейся «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 притяжения на разных расстояниях от центра.

Черная дыра всегда готова поглотить вещество или излучение, увеличив этим свою массу. Ее взаимодействие с окружающим миром определяется простым принципом Хокинга: площадь  горизонта событий черной дыры никогда  не уменьшается, если не учитывать квантового рождения частиц.

Дж. Бекенстейн в 1973 предположил, что черные дыры подчиняются тем  же физическим законам, что и физические тела, испускающие и поглощающие  излучение (модель «абсолютно черного  тела»). Под влиянием этой идеи Хокинг в 1974 показал, что черные дыры могут  испускать вещество и излучение, но заметно это будет лишь в  том случае, если масса самой черной дыры относительно невелика. Такие  черные дыры могли рождаться сразу  после Большого взрыва, с которого началось расширение Вселенной. Массы  этих первичных черных дыр должны быть не более 10¹⁵ г (как у небольшого астероида), а размер 10¹⁵ м (как у протона или нейтрона). Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры рождает пары частица–античастица; одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Черная дыра с массой 10¹⁵ г должно вести себя как тело с температурой 10¹¹ К. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

 

Типы  черных дыр

До сих  пор мы говорили о возникновении  во Вселенной черных дыр звездного  происхождения. Астрономы имеют  все основания предполагать, что, помимо звездных черных дыр, есть еще  другие дыры, имеющие совсем иную историю.

Из теории звездной эволюции известно, что черные дыры могут возникать на заключительных стадиях жизни звезды, когда она  теряет устойчивость и испытывает неограниченное сжатие под действием сил тяготения. При этом масса звезды должна быть  достаточно велика, иначе эволюция звезды может закончиться образованием либо белого карлика, либо нейтронной звезды.

Кроме черных дыр, возникающих в конце звездной эволюции и имеющих такие же массы, как звезды, могут существовать и  более массивные черные дыры, образующиеся, например, в результате сжатия больших масс газа в центре шаровых звездных скоплений, в ядрах галактик или в квазарах.

А могут  ли существовать во Вселенной черные дыры, масса которых во много раз  меньше массы обычных звезд?

Согласно  современным космологическим представлениям Вселенная расширяется от сверхсжатого сингулярного состояния. Можно предполагать, что вещество во Вселенной в ходе ее расширения прошло все стадии от плотностей ~ 10⁹³г/см³ до сегодняшней средней плотности, не превосходящей 10 ^–29г/см³. Значит, в далеком прошлом Вселенной, когда плотность вещества была чудовещно велика, имелись предпосылки для возникновения черных дыр сколь угодно малых масс. На возможность их возникновения впервые указали Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков еще в шестидесятых годах. Найти столь малые образования в огромных просторах космоса чрезвычайно трудно, и поэтому они еще не обнаружены. Сегодня разные способы поисков таких черных дыр, получивших название первичных,- предмет многочисленных исследований и дискуссий.

В начале 60-х годов нашего века были открыты  необыкновенные небесные тела – квазары.

В течении  прошедших десятилетий выяснилось, что квазары – это необычно активные излучающие ядра больших галактик. Часто в них наблюдаются мощные движения газов. Сами звезды галактики  вокруг таких ядер обычно не видны  из-за огромного расстояния и сравнительно слабого их свечения по сравнению  со свечением квазара. Выяснилось так  же, что ядра многих галактик напоминают своего рода маленькие квазарчики и  проявляют иногда бурную активность – выброс газа, изменение яркости  и т.д., - хотя и не такую мощную, как настоящие квазары. Даже в  ядрах совсем обычных галактик, включая  нашу собственную, наблюдаются процессы, свидетельствующие о том, что  и здесь “работает” маленькое  подобие квазара.

То, что  в центре галактики может возникнуть гигантская черная дыра, теперь кажется  естественным. В самом деле, газ,  находящийся в галактиках между  звездами, постепенно под действием  тяготения должен оседать к центру, формируя огромное газовое облако. Сжатие этого облака или его части  должно привести к возникновению  черной дыры. Кроме того, в центральных  частях галактик находятся компактные звездные скопления, содержащие миллионы звезд. Звезды здесь могут разрушаться  приливными силами при близких прхождениях  около уже возникшей черной дыры, а газ этих разрушенных звезд, двигаясь около черной дыры, затем  попадает в нее.

Падение газа в сверхмассивную черную дыру должно сопровождаться явлениями, подобными  тем, о которых мы говорили в случае звездных черных дыр. Только здесь должно происходить ускорение заряженных частиц в переменных магнитных полях, которые приносятся к черной дыре вместе с падающим газом.

Все это  вместе и приводит к явлению квазара  и к активности галактических  ядер.

 

Заключение

Черные  дыры – совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное  до сих пор. Это не тела в обычном  смысле слова и не излучение.  Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения  характера течения времени в  стремительно нарастающем гравитационном поле.

Черные  дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т.д. При образовании черной дыры для  внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем  пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя  параметрами – массой и вращением. Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные  ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры.

Но и  нет ничего более сложного, чем  черная дыра, - ведь человеческое воображение  даже не в состоянии представить  себе, до какой степени происходит искривление пространства и изменение течения времени, что в них возникает дыра. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. М.А.Браже, Р.М. Мефтахутдинов «Концепции современного естествознания. Материалы к семинарским занятиям. Часть 1. Учебное пособие для студентов экономических специальностей технических университетов.» Ульяновск, 2003г.
2. И.Новиков «Черные дыры и вселенная» Москва, Молодая гвардия, 1985г.
3. А.М.Черепащук «Черные дыры во Вселенной», «Век 2», 2006 г.
4. А.М.Черепащук, А.Д.Чернин. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино, Век 2. 2003.
5. И.Николсон. Тяготение, черные дыры и Вселенная. М., Мир ,1983г.
6. Астрономия. «Аванта +» 2003 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~ ~