Черные дыры

В) Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры - квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса порядка 10⁻⁵ г, радиус — 10⁻³⁵ м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Глава 3. Методологические и исследовательские аспекты черных дыр.

3.1. Небесная механика чёрных дыр

По теории Ньютона, если скорость тела меньше второй космической, то оно движется по эллипсу около  центрального тела — тяготеющего  центра (ТЦ). У эллипса есть ближайшая  к ТЦ точка (периастр) и наиболее удаленная (апоастр). По теории Эйнштейна, в случае движения тела со скоростью, меньшей второй космической, траектория его также имеет периастр и апоастр, но она уже не эллипс; оно движется по незамкнутой орбите, то приближаясь к черной дыре, то снова удаляясь от нее. Траектория вся целиком лежит в одной плоскости, но вблизи черной дыры она может выглядеть весьма причудливо. Если же она лежит достаточно далеко, то вид ее представляет собой медленно поворачивающийся в пространстве эллипс.

Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле черной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к ТЦ, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На еще более близкой к черной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.

Оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг черной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трех гравитационных радиусов.

Дело в том, что на расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство. Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике — это возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из космоса.

В ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, описывает вокруг нее параболу или гиперболу и снова улетает в космос — гравитационный захват невозможен. Если прилетающее тело движется на большом расстоянии от черной дыры (на расстоянии десятков гравитационных радиусов и больше), то оно движется почти точно по параболе или гиперболе. Но если оно пролетает достаточно близко от дыры, то его орбита совсем не похожа на гиперболу или параболу. В случае, если оно вдали от черной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос.

Если вращающееся тело подойдет вплотную к указанной окружности двух гравитационных радиусов, то тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос.  Если тело подойдет еще ближе к черной дыре, оно упадет в черную дыру и также окажется гравитационно захваченным. Если тело движется к черной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос.

Более того, известно, что если тело будет двигаться  хоть и не прямо по радиусу к  черной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от черной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей черной дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо еще, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения. Значение этого критического угла зависит от расстояния до черной дыры. Чем дальше от нее, тем меньше критический угол.

Один из важных процессов, возникающих при движении тел в поле черной дыры – это излучении гравитационных волн. Гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, “оторвавшимся” от своего источника и летящим в пространстве со скоростью света. 
3.2. Гипотезы и парадоксы

Общая теория относительности, предсказала, что масса искривляет пространство. Через четыре года после опубликования работы Эйнштейна эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. Астрономы знают, что под влиянием "линзы тяготения", которую представляют собой тяжелые звезды и черные дыры. 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. 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. 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. 

Еще 200 лет назад вопросом о влиянии  гравитации на распространение света  звезд задался английский естествоиспытатель Джон Мишелл. Мишелл 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.

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.  
3.3. Поиск черных дыр.

Расчеты в рамках общей  теории относительности Эйнштейна  указывают лишь на возможность существования  черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире; открытие настоящей черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе безнадежно труден: мы не сможем заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.

Сверхмассивные черные дыры могут находиться в центрах  галактик, непрерывно пожирая там  звезды. Сконцентрировавшись вокруг черной дыры, звезды должны образовать центральные пики яркости в ядрах  галактик; их поиски сейчас активно ведутся. Другой метод поиска состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центрального объекта в галактике. Если известно их расстояние от центрального объекта, то можно вычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность, возможную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способом в 1996 Дж. Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно, находится черная дыра с массой 40 млн. солнечных.

Наиболее перспективным является поиск черной дыры в двойных системах, где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс. По периодическому доплеровскому смещению линий в спектре звезды можно понять, что она обращается в паре с неким телом и даже оценить массу последнего. Если эта масса превышает 3 массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то очень возможно, что это черная дыра.

В компактной двойной  системе черная дыра может захватывать  газ с поверхности нормальной звезды. Двигаясь по орбите вокруг черной дыры, этот газ образует диск и, приближаясь по спирали к черной дыре, сильно нагревается и становится источником мощного рентгеновского излучения. Быстрые флуктуации этого излучения должны указывать, что газ стремительно движется по орбите небольшого радиуса вокруг крохотного массивного объекта.

С 1970-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойных системах с явными признаками присутствия черных дыр. Самой перспективной  считается рентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в 6 масс Солнца. Другие замечательные кандидаты в черные дыры находятся в двойных рентгеновских системах Лебедь X-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. За исключением LMCX-3, расположенной в Большом Магеллановом Облаке, все они находятся в нашей Галактике на расстояниях порядка 8000 св. лет от Земли.

Заключение.

ЧЕРНАЯ ДЫРА – область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть

Чтобы тело любой  разумной массы (даже в миллионы тонн) стало черной дырой, его нужно  сжать до размера, меньшего, чем размер протона или нейтрона, поэтому  свойства черных дыр пока изучаются только теоретически.

Гравитационное  поле черной дыры вызывает быстрое  вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Впервые гипотеза о наличии черных дыр появилась  в 1939 году, современная наука использует в их поисках гамма-телескопы.

Теоретически  ничто не мешает их существованию  в нашей Галактике и даже в  пределах Солнечной системы. Предполагается также, что черные дыры находятся  в ядрах галактик и являются мощнейшими источниками. Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи черных дыр проявляются скрытые свойства гравитации.

Внутренняя  часть черной дыры причинно не связана  с остальной Вселенной, происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт.

Хотя черная дыра “все съедает и ничего не отпускает”, тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения.

Существует  гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при  взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений.

Самый очевидный  путь образования черной дыры –  коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас  ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением.

Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы  вещества, сталкиваются и сливаются  звезды, поэтому там могут формироваться  сверхмассивные черные дыры, превосходящие  по массе Солнце в миллионы раз.

Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения  во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно их считают источником активности в ядрах квазаров –  молодых массивных галактик.

Много интересного можно  узнать о чёрных дырах, занимаясь их изучением вплотную. В безднах Вселенной так много всего нового и неизвестного, что  будет изучаться, я думаю, ещё долгое время.

Есть уверенность, что  с усовершенствованием техники  мы сможем когда-нибудь узнать, опровергнуть или доказать сегодняшние предположения и гипотезы, которые люди высказывали сотни лет назад.

Правильно сказал Дж. Друно: «Умственная сила никогда не успокоится, никогда не остановится на познанной истине, но все время будет идти вперед и дальше, к непознанной истине».

Библиографический список.

1. «Путешествие среди чёрных дыр». Статьи. Наука и техника. [Электронный ресурс] - http://n-t.ru, 2006.
2. С. Транковский. Черные дыры во вселенной. «Наука и жизнь» № 8, 2000 г., стр. 83 – 87.
3. «Черные дыры и Вселенная». Статьи. [Электронный ресурс] - http://astronomus.ru. 2005-2007.
4. Физика космоса. Соловьёв А.П. «Наука» 2001 г.
5. Астрономия. «Аванта +» 2003 г.
6. А. Малиновский. Пари Стивена Хоукинга// Компьютерра. – 2004
7. Кирилл Бронников. Мост между мирами. Библиотека evrika.tsi.lv
8. Пайс Л. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Ред. А.А. Логунов. – М.: Наука, 1989.
9. Пол Дейвис. «Сложно, но возможно». www.sciam.ru
10. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003.