Проблема черных дыр во Вселенной

8

Содержание

Введение…………………………………………………..........………………….2

1. Черные дыры……………………………………………………….……….3

Заключение……………………………………………………………….............12

Список использованных источников…………………………………...........…13

Введение

Черные дыры - удивительные объекты, свойства которых столь фантастичны, что в их существование верится с трудом.

Проблема черных дыр во Вселенной волнует человечество уже более двух столетий. Особенно ожесточенные споры о них разгорелись во второй половине прошлого века, и надо сказать, что эти споры не закончились по сей день.

Однако сегодня ученые как никогда близко подошли к разгадке тайны существования черных дыр.

Благодаря бурному прогрессу в наблюдательной астрономии (и прежде всего рентгеновской астрономии на базе космических аппаратов) к настоящему времени открыть несколько сотен массивных и чрезвычайно компактных объектов, наблюдаемые свойства которых очень похожи на свойства черных дыр, предсказываемые общей теорией относительности А. Эйнштейна - теорией, изучающей сильные гравитационные поля и трактующей гравитацию как проявление кривизны пространства-времени.

То, что ни один из многочисленных открытых кандидатов в черные дыры не показывает противоречий с общей теорией относительности, дает астрономам основание называть эти объекты (разумеется, с некоторой натяжкой) просто черными дырами.

1. Черные дыры

Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область.

Общая теория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее - наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную, и даже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен он внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр в природе часто ставится под сомнение. Однако, забегая вперед, отметим, что, согласно новейшим наблюдательным данным, черные дыры действительно существуют и им присущи удивительные свойства.

Известно, что если масса ядра звезды, претерпевшего изменения химического состава из-за термоядерных реакций и состоящего в основном из элементов группы железа, превышает 1,4 солнечной массы M, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в результате которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронного вещества. Огромные силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны обладают полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться только один нейтрон.

При сжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается до гигантских значений - порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3M) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда, остывая коллапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру. Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до 10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины - порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошо известные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причем число известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучение через посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят за счет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: сильное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, то экранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феномену рентгеновского пульсара - строго периодической переменности рентгеновского излучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсации радио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды есть сильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердая поверхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, черная дыра не имеет ни твердой поверхности, ни сильного магнитного поля.

Для звезд, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают три солнечных, ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давление вещества при больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях, согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривления пространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды.

Черные дыры с очень большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому, существуют в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных черных дыр наметился существенный прогресс в связи с использованием космического телескопа им. Хаббла и применения методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Кроме того, теория предсказывает возможность существования первичных черных дыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Мы ограничимся рассмотрением лишь черных дыр звездной массы, образовавшихся на конечных этапах эволюции массивных (с массами в десятки солнечных) звезд.

Известно, что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Наблюдая движение звезд - компонент двойной системы и применяя законы Кеплера, вытекающие из закона тяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом, поскольку размеры орбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационных радиусов компонент, для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронных звезд и черных дыр в двойных системах, вполне достаточно использования закона тяготения Ньютона. Мы не рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, где громадная точность определения моментов прихода радиоимпульсов позволяет наблюдать релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековое укорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.

Оптическая звезда в двойной системе является не только пробным телом в гравитационном поле черной дыры, позволяющим измерить ее массу, но также своеобразным донором, поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду или черную дыру). Аккреция этого вещества на релятивистский объект приводит к разогреву плазмы до температур в десятки и сотни миллионов градусов и к появлению мощного рентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощного энерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 году Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккреции вещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита в начале 70-х годов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д. Новикова и К.С. Торна.

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

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

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

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

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

Практически все методы обнаружения черных дыр в двойных системах страдают подобным недостатком: при некоторых условиях нейтронные звезды могут выглядеть практически так же, как черные дыры. Поэтому главным методом обнаружения черных дыр является определение их массы. Массы компактных объектов имеют верхнее ограничение: у белых карликов они не могут превышать чандрасекаровский предел - около 1,4 М_?; эта величина зависит от состава вещества, но массивные белые карлики имеют примерно одинаковый состав, соответствующий именно такой массе. А массы нейтронных звезд ограничены пределом Оппенгеймера-Волкова, значение которого лежит в интервале от 2 до 3 М_? (точно пока не известно). Таким образом, если мы обнаружим компактный объект с массой больше М_?, то это может быть только черная дыра.

Еще в 1971 г. была оценена масса невидимого компактного объекта в одном из наиболее ярких рентгеновских источников. Лебедь Х-1. Он находится в двойной системе: массы их компонентов можно определять по гравитационному взаимодействию. Масса объекта оказалась больше 3 М_?. Но точность измерения была не слишком велика, кроме того, оставались и другие возможности для объяснения полученного результата, и невидимый компонент назвали «кандидатом в черные дыры».

Сегодня подобных кандидатов известно уже более 20, Лебедь Х-1 переместился с первого места в этом списке на одно из последних. Сейчас 99% астрономов считают, что черные дыры уже реально открыты, но у 1% сомнения остаются, и Нобелевская премия за открытие черных дыр еще не присуждена.

Чрезвычайно интересно было бы открыть систему «черная дыра + радиопульсар», видимую под небольшим углом к плоскости орбиты. По наблюдениям излучения пульсара в те моменты, когда его излучение проходит вблизи черной дыры, можно было бы попытаться найти эффекты, вызванными сильными гравитационными полями черной дыры, и таким образом строго доказать ее существование.

Строгие расчеты тесных двойных систем показывают, что одна система «черная дыра + пульсар» приходится на несколько тысяч одиночных радиопульсаров, так что обнаружение подобной пары возможно в ближайшие несколько лет (но ориентация орбиты первой подобной системы, скорее всего, не будет слишком удачной).

Другим местом, где астрофизики вплотную приблизились к открытию черных дыр, являются ядра галактик, особенно активных. В некоторых из них (причем в довольно многих) по движению звезд определяется присутствие очень массивного (10⁶ - 10⁹ М_?) и компактного объекта. Но оптическое разрешение лучших сегодняшних телескопов (даже космического телескопа «Хаббл») не позволяет отличить черную дыру от очень плотного звездного скопления. Наша галактика не относится к активным, но черная дыра с массой в 3 - 4 млн. М_? может быть и в ее центре. Хотя список «кандидатов в черные дыры» в центрах галактик начал составляться позднее, чем для двойных систем, в нем уже содержится несколько сотен возможных объектов (определенных с различной степенью достоверности).

Черные дыры были предсказаны как объекты, у которых вторая космическая скорость больше или равна скорости света, т.е. в рамках ньютоновской теории объект, имеющий начальную скорость, равную скорости света, не может покинуть поверхность.

Из этого простого условия легко найти максимальный радиус такого объекта, так называемый гравитационный радиус черной дыры:

.

Для массы Солнца, М_? = 2 ? 10³⁰ кг, получаем оценку гравитационного радиуса порядка 3 км. На самом деле в ньютоновской теории такой результат может быть получен только формально, так как она допускает движение со скоростями выше скорости света.

Как видно из формулы, черную дыру можно получить, либо сильно сжав объект, не меняя его массы (например, Солнце надо сжать до радиуса в 3 км), либо существенно увеличив его массу при постоянном радиусе. Звездные черные дыры образуются путем сжатия, когда массивная звезда, исчерпав источники энергии, «падает сама в себя». Давление не может больше противодействовать силам гравитации, и они схлопывают звезду.

Отметим одну важную особенность, отличающую описание в рамках ньютоновской теории от современного описания в рамках ОТО. Ньютоновская формула получена на основе представления о том, что если бросить камень со скоростью света, то он, поднявшись на значительную высоту (формально - на бесконечную!), все равно упадет обратно. В ОТО ситуация принципиально отлична: «камень», т.е. луч света, вообще нельзя «подкинуть».

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

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

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

Всего в нашей галактике должно быть порядка 10⁸ черных дыр, но обнаружить одиночную черную дыру практически невозможно. Нужен какой-то процесс, который превратил бы ее из «черной» в яркую.

В 1960-е гг. Я.Б. Зельдович (СССР) и Э. Солпитер (США) высказали идею, согласно которой черные дыры могут обнаруживать себя при падении на них вещества. Идеальным местом для мощной аккреции служат тесные двойные системы, где вещество может перетекать с одной звезды на другую.

Заключение

Окончательные доказательства того, что открытые многочисленные кандидаты в черные дыры действительно являются ими в смысле общей теории относительности, до сих пор не получены.

Более того, к настоящему времени предложены теории гравитации, отличные от общей теории относительности, и в некоторых из них существование черных дыр отвергается.

Это делает проблему их поиска и исследования особенно интригующей.

И все же, можно констатировать, что к настоящему времени человечество вплотную приблизилось к окончательному решению проблемы существования черных дыр во Вселенной.

Итак, благодаря космическим исследованиям и введению в строй крупных наземных телескопов нового поколения открыты сотни массивных и чрезвычайно компактных объектов, наблюдаемые свойства которых очень похожи на свойства черных дыр, предсказываемые общей теорией относительности А. Эйнштейна.

Можно надеяться, что в ближайшие десятилетия будет окончательно доказано существование черных дыр во Вселенной. Это приведет к прорыву в понимании природы пространства-времени и сущности гравитации.

Список использованных источников

1. Астрономия: век XXI/ Ред.-сост. В.Г. Сурдин. - Фрязино: «Век 2», 2007. - 608с.

2. Бондарев, В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464с.

3. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование, 2007. - 335с. - (Основы наук)

4. Игнатова, В.А. Естествознание: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 254с.

5. Кононович, Э.В., Мороз, В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие/ под ред. В.В. Иванова. - М.: Едиториал УРРС, 2001. - 544с.

6. Лихин, А.Ф. Концепции современного естествознания: Учебник. - М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006. - 264с.

7. Соломатин, В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ПЕР СЭ, 2002. - 464с. - (Современное образование)

8. Шипунова, О.Д. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Гардарики, 2006. - 375с.