Каждый человек, знакомящийся с астрономией, рано или поздно испытывает сильное любопытство по поводу самых загадочных объектов Вселенной - черных дыр. Это настоящие властелины мрака, способные «проглотить» любой проходящий поблизости атом и не дать ускользнуть даже свету, - настолько мощно их притяжение. Эти объекты представляют настоящую проблему для физиков и астрономов. Первые пока еще не могут понять, что же происходит с упавшим внутрь черной дыры веществом, а вторые хоть и объясняют самые энергозатратные явления космоса существованием черных дыр, никогда не имели возможности наблюдать ни одну из них непосредственно. Мы расскажем об этих интереснейших небесных объектах, выясним, что уже было открыто и что еще предстоит узнать, чтобы приподнять завесу тайны.

Что такое черная дыра?

Название «черная дыра» (по-английски - black hole) было предложено в 1967 году американским физиком-теоретиком Джоном Арчибальдом Уилером (см. фото слева). Оно служило для обозначения небесного тела, притяжение которого настолько сильно, что не отпускает от себя даже свет. Потому она и «черная», что не испускает света.

Косвенные наблюдения

В этом кроется причина такой таинственности: поскольку черные дыры не светятся, мы не можем увидеть их непосредственно и вынуждены искать и изучать их, используя лишь косвенные свидетельства, которые их существование оставляет в окружающем пространстве. Иными словами, если черная дыра поглощает звезду, мы не видим черную дыру, но можем наблюдать разрушительные последствия воздействия ее мощного гравитационного поля.

Интуиция Лапласа

Несмотря на то, что выражение «черная дыра» для обозначения гипотетической финальной стадии эволюции звезды, сколлапсировавшей в себя под воздействием силы тяжести, появилось сравнительно недавно, идея о возможности существования таких тел возникла более двух веков назад. Англичанин Джон Мичелл и француз Пьер-Симон де Лаплас независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании «невидимых звезд»; при этом они основывались на обычных законах динамики и законе всемирного тяготения Ньютона. Сегодня черные дыры получили свое правильное описание на основе общей теории относительности Эйнштейна.

В своем труде «Изложение системы мира» (1796) Лаплас писал: «Яркая звезда той же плотности, что и Земля, диаметром, в 250 раз превосходящим диаметр Солнца, благодаря своему гравитационному притяжению не позволила бы световым лучам добраться до нас. Следовательно, возможно, что самые крупные и самые яркие небесные тела по этой причине являются невидимыми».

Непобедимое тяготение

В основе идеи Лапласа лежало понятие скорости убегания (второй космической скорости). Черная дыра является настолько плотным объектом, что ее притяжение способно задержать даже свет, развивающий наибольшую в природе скорость (почти 300000 км/с). На практике, для того чтобы убежать из черной дыры, требуется скорость выше скорости света, но это невозможно!

Это означает, что звезда такого рода будет невидимой, поскольку даже свету не удастся преодолеть ее мощную гравитацию. Эйнштейн объяснял этот факт через явление отклонения света под воздействием гравитационного поля. В реальности вблизи черной дыры пространство-время настолько искривлено, что траектории световых лучей также замыкаются на самих себе. Для того чтобы превратить Солнце в черную дыру, мы должны будем сосредоточить всю его массу в шаре радиусом 3 км, а Земля должна будет превратиться в шарик радиусом 9 мм!

Виды черных дыр

Еще около десяти лет назад наблюдения позволяли предположить существование двух видов черных дыр: звездных, масса которых сравнима с массой Солнца или ненамного превышает ее, и сверхмассивных, масса которых - от нескольких сотен тысяч до многих миллионов масс Солнца. Однако относительно недавно рентгеновские изображения и спектры высокого разрешения, полученные с искусственных спутников типа «Чандра» и «ХММ-Ньютон», вывели на авансцену третий тип черной дыры -с массой средней величины, превосходящей массу Солнца в тысячи раз.

Звездные черные дыры

Звездные черные дыры стали известны раньше других. Они формируются тогда, когда звезда большой массы в конце своего эволюционного пути исчерпывает запасы ядерного горючего и коллапсирует сама в себя из-за собственной гравитации. Потрясающий звезду взрыв (это явление известно под названием «взрыва сверхновой») имеет катастрофические последствия: если ядро звезды превосходит массу Солнца более чем в 10 раз, никакая ядерная сила не способна противостоять гравитационному коллапсу, результатом которого будет появление черной дыры.

Сверхмассивные черные дыры

Иное происхождение имеют сверхмассивные черные дыры, впервые отмеченные в ядрах некоторых активных галактик. Относительно их рождения есть несколько гипотез: звездная черная дыра, которая в течение миллионов лет пожирает все окружающие ее звезды; слившееся воедино скопление черных дыр; колоссальное газовое облако, коллапсирующее непосредственно в черную дыру. Эти черные дыры являются одними из самых насыщенных энергией объектов космоса. Они расположены в центрах очень многих галактик, если не всех. Наша Галактика тоже имеет такую черную дыру. Иногда благодаря наличию такой черной дыры ядра этих галактик становятся очень яркими. Галактики с черными дырами в центре, окруженными большим количеством падающего вещества и, следовательно, способными произвести колоссальное количество энергии, называются «активными», а их ядра -«активными ядрами галактик» (AGN). Например, квазары (самые удаленные от нас космические объекты, доступные нашему наблюдению) являются активными галактиками, у которых мы видим только очень яркое ядро.

Средние и «мини»

Еще одной тайной остаются черные дыры средней массы, которые, согласно недавним исследованиям, могут оказаться в центре некоторых шаровых скоплений, таких, например, как М13 и NCC 6388. Многие астрономы высказываются об этих объектах скептически, но некоторые новейшие исследования позволяют предположить наличие черных дыр средних размеров даже недалеко от центра нашей Галактики. Английский физик Стивен Хокинг выдвинул также теоретическое предположение о существовании четвертого вида черной дыры - «мини-дыры» с массой лишь в миллиард тонн (что примерно равно массе большой горы). Речь идет о первичных объектах, то есть появившихся в первые мгновения жизни Вселенной, когда давление было еще очень высоким. Впрочем, пока не обнаружено ни одного следа их существования.

Как найти черную дыру

Всего несколько лет назад над черными дырами «зажегся свет». Благодаря постоянно совершенствуемым приборам и технологиям (как наземным, так и космическим) эти объекты становятся все менее загадочными; точнее, менее загадочным становится окружающее их пространство. В самом деле, коль скоро сама черная дыра невидима, мы можем распознать ее только в том случае, если она окружена достаточным количеством вещества (звезд и горячего газа), обращающегося вокруг нее на небольшом удалении.

Наблюдая за двойными системами

Некоторые звездные черные дыры были обнаружены в процессе наблюдения орбитального движения звезды вокруг невидимого компаньона по двойной системе. Тесные двойные системы (то есть состоящие из двух очень близких друг к другу звезд), один из компаньонов в которых невидим, - излюбленный объект наблюдений астрофизиков, ищущих черные дыры.

Указанием на наличие черной дыры (или нейтронной звезды) служит сильная эмиссия рентгеновских лучей, вызванная сложным механизмом, который можно схематически описать следующим образом. Благодаря своей мощной гравитации черная дыра может вырывать вещество из звезды-компаньона; этот газ распределяется в форме плоского диска и падает по спирали в черную дыру. Трение, возникающее в результате столкновений частичек падающего газа, нагревает внутренние слои диска до нескольких миллионов градусов, что вызывает мощное излучение рентгеновских лучей.

Наблюдения в рентгеновских лучах

Проводящиеся уже несколько десятилетий наблюдения в рентгеновских лучах объектов нашей Галактики и соседних галактик позволили обнаружить компактные двойные источники, примерно десяток из которых представляет собой системы, содержащие кандидатов в черные дыры. Основной проблемой является определение массы невидимого небесного тела. Значение массы (пусть и не очень точное) можно найти, изучая движение компаньона или, что намного труднее, измеряя интенсивность рентгеновского излучения падающего вещества. Эта интенсивность связана уравнением с массой тела, на которое падает это вещество.

Нобелевский лауреат

Нечто подобное можно сказать и в отношении сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых в ядрах многих галактик, массы которых оцениваются через измерение орбитальных скоростей газа, проваливающегося в черную дыру. В этом случае вызванный мощным гравитационным полем очень крупного объекта быстрый рост скорости газовых облаков, обращающихся по орбите в центре галактик, выявляется наблюдениями в радиодиапазоне, а также в оптических лучах. Наблюдения в рентгеновском диапазоне могут подтвердить повышенное выделение энергии, вызванное падением вещества внутрь черной дыры. Исследования в рентгеновских лучах в начале 1960-х годов начал работавший в США итальянец Риккардо Джаккони. Присужденная ему в 2002 году Нобелевская премия стала признанием его «новаторского вклада в астрофизику, что привело к открытию в космосе источников рентгеновского излучения».

Лебедь X-1: первый кандидат

Наша Галактика не застрахована от наличия объектов-кандидатов в черные дыры. К счастью, ни один из этих объектов не находится настолько близко к нам, чтобы представлять опасность для существования Земли или Солнечной системы. Несмотря на большое количество отмеченных компактных источников рентгеновского излучения (а это наиболее вероятные кандидаты для нахождения там черных дыр), у нас нет уверенности в том, что они на самом деле содержат черные дыры. Единственным среди этих источников, не имеющим альтернативной версии, является тесная двойная система Лебедь X-1, то есть наиболее яркий источник рентгеновского излучения, в созвездии Лебедь.

Массивные звезды

Эта система, орбитальный период которой составляет 5,6 суток, состоит из очень яркой голубой звезды большого размера (ее диаметре 20 раз превосходит солнечный, а масса - примерно в 30 раз), легко различимой даже в ваш телескоп, и невидимой второй звезды, масса которой оценивается в несколько солнечных масс (до 10). Расположенная на расстоянии 6500 световых лет от нас вторая звезда была бы отлично видна, если бы она была обычной звездой. Ее невидимость, производимое системой мощное рентгеновское излучение и, наконец, оценка массы заставляют большинство астрономов думать о том, что это - первый подтвержденный случай обнаружения звездной черной дыры.

Сомнения

Впрочем,есть и скептики. Среди них один из крупнейших исследователей черных дыр физик Стивен Хокинг. Он даже заключил пари с американским коллегой Килом Торном - ярым сторонником классификации объекта Лебедь X-1 как черной дыры.

Спор о сущности объекта Лебедь X-1 - не единственное пари Хокинга. Посвятив несколько девятилетий теоретическим исследованиям черных дыр, он убедился в ошибочности своих прежних представлений об этих загадочных объектах.. В частности, Хокинг предполагал, что вещество после падения в черную дыру исчезает навсегда, а с ним исчезает и весь его информационный багаж. Он был настолько в этом уверен, что заключил на эту тему в 1997 году пари с американским коллегой Джоном Прескйллом.

Признание ошибки

21 июля 2004 года в своем выступлении на конгрессе по теории относительности в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла. Черные дыры не приводят к полному исчезновению вещества. Более того, они обладают определенного рода «памятью». Внутри них вполне могут храниться следы того, что они поглотили. Таким образом, «испаряясь» (то есть медленно испуская излучение вследствие квантового эффекта), они могут возвращать эту информацию нашей Вселенной.

Черные дыры в Галактике

Астрономы еще питают множество сомнений относительно наличия в нашей Галактике звездных черных дыр (подобных той, что принадлежит двойной системе Лебедь X-1); но в отношении сверхмассивных черных дыр сомнений гораздо меньше.

В центре

В нашей Галактике имеется минимум одна сверхмассивная черная дыра. Ее источник, известный под именем Стрелец А*, точно локализован в центре плоскости Млечного Пути. Его название объясняется тем, что это самый мощный радиоисточник в созвездии Стрелец. Именно в этом направлении расположены как геометрический, так и физический центры нашей галактической системы. Находящаяся на расстоянии около 26000 световых лет от нас сверхмассивная черная дыра, связанная с источником радиоволн Стрелец А*, обладает массой, которая оценивается примерно в 4 млн солнечных масс, заключенных в пространстве, объем которого сравним с объемом Солнечной системы. Ее относительная близость к нам (эта сверхмассивная черная дыра, без сомнения, ближайшая к Земле) стала причиной того, что в последние годы объект подвергся особенно глубокому исследованию при помощи космической обсерватории «Чандра». Выяснилось, в частности, что он также представляет собой мощный источник рентгеновского излучения (но не столь мощный, как источники в активных ядрах галактик). Стрелец А*, возможно, является «спящим» остатком того, что миллионы или миллиарды лет назад было активным ядром нашей Галактики.

Вторая черная дыра?

Впрочем, некоторые астрономы считают, что в нашей Галактике имеется еще один сюрприз. Речь идет а второй черной дыре средней массы, удерживающей вместе скопление молодых звезд и не позволяющей им упасть в сверхмассивную черную дыру, расположенную в центре самой Галактики. Как же может быть, чтобы на расстоянии меньше одного светового года от нее могло находиться звездное скопление возраста, едва достигшего 10 млн лет, то есть, по астрономическим меркам, очень молодое? По мнению исследователей, ответ заключается в том, что скопление родилось не там (среда вокруг центральной черной дыры слишком враждебна для звездообразования), но было «притянуто» туда благодаря существованию внутри него второй черной дыры, которая и обладает массой средних значений.

На орбите

Отдельные звезды скопления, притянутое сверхмассивной черной дырой, начали смещаться в сторону галактического центра. Однако вместо того чтобы рассеяться в космосе, они остаются собранными вместе благодаря притяжению второй черной дыры, расположенной в центре скопления. Масса этой.черной дыры может быть оценена на основании ее способности держать «на поводке» целое звездное скопление. Черная дыра средних размеров, видимо, совершает оборот вокруг центральной черной дыры примерно за 100 лет. Это означает, что продолжительные наблюдения в течение многих лет позволят нам ее «увидеть».

Чёрная дыра в физике определяется как область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом, который назван радиусом Шварцвальда. Чёрные дыры – это самые загадочные объекты во Вселенной. Своим неудачным названием они обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру. Это он в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1967 г. назвал эти сверхплотные тела дырами. Ранее подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары». Но термин «чёрная дыра» прижился, и менять его уже стало просто невозможно. Во Вселенной существует два типа черных дыр: 1 – сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы раз больше массы Солнца (считается, что такие объекты находятся в центрах галактик); 2 – менее массивные черные дыры, которые возникают в результате сжатия гигантских умирающих звезд, масса их больше трех масс Солнца; при сжатии звезды вещество все сильнее уплотняется и в результате гравитация объекта усиливается до такой степени, что свет не может преодолеть ее. Чёрную дыру не может покинуть ни излучение, ни вещество. Чёрные дыры – это сверхмощные гравитаторы.

Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для чёрных дыр, образовавшихся из звезд, он составляет всего лишь несколько десятков километров. В некоторых парах двойных звезд одна из них невидима в самый мощный телескоп, но масса невидимого компонента в такой гравитационной системе оказывается чрезвычайно большой. Скорее всего, такие объекты являются или нейтронными звездами, или чёрными дырами. Иногда невидимые компоненты в таких парах срывают вещество с нормальной звезды. В этом случае газ отделяется от внешних слоев видимой звезды и падает неведомо куда – на невидимую чёрную дыру. Но прежде чем упасть на дыру, газ излучает электромагнитные волны самой разной длины, в том числе и очень короткие рентгеновские волны. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогревается и становится источником мощного высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с помощью космических телескопов. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается мощный источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя.

Большинство полагает, что открытие существования чёрных дыр - заслуга Альберта Эйнштейна.

Однако Эйнштейн закончил свою теорию к 1916-му году, а Джон Митчелл обдумывал эту идею ещё в далёком 1783-м. Она не нашла применения потому, что этот английский священник просто не знал, что с ней делать.

Митчелл начал разрабатывать теорию чёрных дыр, когда принял идею Ньютона, согласно которой свет состоит из маленьких материальных частиц, называемых фотонами. Он размышлял о движении этих световых частиц и пришёл к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую они покидают. Он пытался понять, что произойдёт с этими частицами, если гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть.

Митчелл также является основателем современной сейсмологии. Он предположил, что землетрясения распространяются в земле подобно волнам.

2. Они действительно притягивают пространство вокруг себя

Попробуйте представить космос в виде резинового листа. Представьте, что планеты - это шарики, которые давят на этот лист. Он деформируется и больше не имеет прямых линий. Это создаёт гравитационное поле и объясняет, почему планеты движутся вокруг звёзд.

Если масса объекта возрастёт, то деформация пространства может стать ещё больше. Эти дополнительные возмущения увеличивают силу притяжения и ускоряют движение по орбите, заставляя спутники двигаться вокруг объектов всё быстрее и быстрее.

Например, Меркурий движется вокруг солнца со скоростью 48 км/с, в то время как орбитальная скорость звёзд неподалёку от чёрной дыры в центре нашей галактики достигает 4800 км/с.

Если сила притяжения достаточно сильна, то спутник сталкивается с большим по размеру объектом.

3. Не все чёрные дыры одинаковы

Мы обычно думаем, что всё чёрные дыры по сути одно и то же. Однако астрономы недавно выяснили, что их можно разделить на несколько разновидностей.

Есть вращающиеся чёрные дыры, черные дыры с электрическим зарядом и чёрные дыры, включающие черты первых двух. Обычные чёрные дыры возникают путём поглощения материи, а вращающаяся чёрная дыра образуется путём слияния двух таких дыр.

Эти чёрные дыры расходуют намного больше энергии из-за возросшего возмущения пространства. Заряженная вращающаяся чёрная дыра действует как ускоритель частиц.

Чёрная дыра, названная GRS 1915+105, находится на расстоянии около 35 тысяч световых лет от Земли. Она крутится со скоростью 950 оборотов в секунду.

4. Их плотность невероятно высока

Чёрным дырам необходимо быть чрезмерно массивными при невероятно маленьких размерах, чтобы создавать достаточно большую силу притяжения для сдерживания света. К примеру, если сделать чёрную дыру массой равной массе Земли, то получится шарик с диаметром всего 9 мм.

Чёрная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, может уместиться в пространство между Меркурием и Солнцем. Чёрные дыры в центре галактик могут иметь массу, превышающую массу Солнца от 10 до 30 миллионов раз.

Такая большая масса на таком маленьком пространстве означает, что чёрные дыры имеют невероятно большую плотность и силы, действующие внутри них, также очень сильны.

5. Они достаточно шумные

Всё, что окружает чёрную дыру, затягивается в эту бездну и одновременно с этим ускоряется. Горизонт событий (граница области пространства-времени, начиная с которой информация не может достичь наблюдателя из-за конечности скорости света; прим. mixstuff) разгоняет частицы почти до скорости света.

Во время пересечения материей центра горизонта событий возникает булькающий звук. Этот звук является преобразованием энергии движения в звуковые волны.

В 2003-м году астрономы с помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра зафиксировали звуковые волны, исходящие от сверхмассивной чёрной дыры, находящейся на расстоянии 250 миллионов световых лет.

6. Ничто не может ускользнуть от их притяжения

Когда что-либо (это может быть и планета, и звезда, и галактика, и частица света) проходит достаточно близко от чёрной дыры, то этот объект неизбежно будет захвачен её гравитационным полем. Если что-то ещё воздействующее на объект, скажем, на ракету, сильнее силы притяжения чёрной дыры, то он сможет избежать поглощения.

До тех пор, конечно, пока оно не достигнет горизонта событий. Точки, после которой покинуть чёрную дыру уже невозможно. Для того, чтобы покинуть горизонт событий, необходимо развить скорость, большую чем скорость света, а это невозможно.

Это тёмная сторона чёрной дыры - если уж свет не может её покинуть, то мы никогда не сможем заглянуть внутрь.

Учёные полагают, что даже маленькая чёрная дыра разорвёт вас на куски задолго до того, как вы проскочите через горизонт событий. Сила притяжения тем больше, чем вы ближе к планете, звезде или чёрной дыре. Если вы летите к чёрной дыре вперёд ногами, то сила притяжения в ваших ступнях будет намного больше, чем в голове. Это и разорвёт вас на части.

7. Они замедляют время

Свет огибает горизонт событий, но, в конечном счете, он захватывается в небытие, когда проникает внутрь.

Можно описать то, что произойдёт с часами, если они попадут внутрь чёрной дыры и уцелеют там. По мере приближения к горизонту событий, они будут замедляться и в конце концов полностью остановятся.

Эта заморозка времени происходит вследствие гравитационного замедления времени, которое объясняется теорией относительности Эйнштейна. Сила притяжения в чёрной дыре настолько велика, что она может замедлять время. С точки зрения часов, всё идёт нормально. Часы пропадут из поля зрения, в то время как свет от них будет ещё растягиваться. Свет будет становиться всё более красным, длина волны будет увеличиваться и в итоге он выйдет за пределы видимого спектра.

8. Они являются совершенными производителями энергии

Чёрные дыры засасывают всю окружающую массу. Внутри чёрной дыры всё это прессуется настолько сильно, что пространство между отдельными элементами атомов сжимается, и в результате образуются субатомные частицы, способные вылетать наружу. Эти частицы вырываются из чёрной дыры благодаря линиям магнитного поля, пересекающим горизонт событий.

Выделение частиц создаёт энергию довольно эффективным способом. Преобразование массы в энергию этим путём в 50 раз намного более эффективно, нежели ядерный синтез.

9. Они ограничивают количество звёзд

Однажды известный астрофизик, Карл Саган, сказал: во Вселенной больше звёзд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но похоже, что во Вселенной всего 10 22 звезды.

Это число определяется количеством чёрных дыр. Потоки частиц, выпускаемые чёрными дырами, расширяются до пузырей, которые распространяются сквозь области формирования звёзд. Области формирования звёзд - это участки газовых облаков, которые могут охлаждаться и образовывать звёзды. Потоки частиц нагревают эти газовые облака и предотвращают появление звёзд.

Это означает, что существует сбалансированное соотношение между количеством звёзд и активностью чёрных дыр. Очень большое количество звёзд расположенных в галактике сделает её слишком горячей и взрывоопасной для развития жизни, однако слишком маленькое количество звёзд также не способствует возникновению жизни.

10. Мы состоим из одного и того же материала

Некоторые исследователи полагают, что чёрные дыры помогут нам при создании новых элементов, потому что они разбивают материю на субатомные частицы.

Эти частицы участвуют в образовании звёзд, что в свою очередь ведёт к созданию элементов тяжелее гелия, таких как железо и углерод, необходимых для образования твёрдых планет и жизни. Эти элементы входят в состав всего, что имеет массу, а значит и нас с вами.

Крупнейшие научные открытия 2014-го года

10 главных вопросов о Вселенной, ответы на которые учёные ищут прямо сейчас

Были ли американцы на Луне?

У России нет возможностей для освоения человеком Луны

10 способов, которыми открытый космос может убить человека

Посмотрите на этот впечатляющий вихрь мусора, которым окружена наша планета

Послушайте звучание космоса

С. ТРАНКОВСКИЙ

Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.

Образование черной дыры может происходить тремя путями.

Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.

Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.

Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.

В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.

Рождение пары частица-античастица в лаборатории.

КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ

Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#

где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).

Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".

И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС

Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.

РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.

По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.

Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?

Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).

КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.

1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).

И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.

Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.

ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"

Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.

Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.

Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.

Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.

Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.

10 апреля группа астрофизиков из проекта Event Horizon Telescope обнародовала первый в истории снимок черной дыры. Эти гигантские, но невидимые космические объекты до сих пор остаются одними из самых загадочных и интригующих в нашей Вселенной.

Читайте ниже

Что такое черная дыра?

Черная дыра — объект (область в пространстве-времени), чья гравитация настолько велика, что он притягивает все известные объекты, включая те, которые движутся со скоростью света. Кванты самого света также не могут покинуть эту область, поэтому черная дыра невидима. Наблюдать можно только за электромагнитными волнами, радиацией и искажениями пространства вокруг черной дыры. На , опубликованном Event Horizon Telescope, изображен горизонт событий черной дыры — граница области со сверхсильной гравитацией, обрамленная аккреционным диском — светящейся материей, которую «засасывает» дыра.

Термин «черная дыра» появился в середине XX века, его ввел американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер. Он впервые употребил этот термин на научной конференции в 1967 году.

Однако предположения о существовании объектов настолько массивных, что силу их притяжения не может преодолеть даже свет, выдвигались еще в XVIII веке. Современная теория черных дыр начала формироваться в рамках общей теории относительности. Интересно, что сам Альберт Эйнштейн в существование черных дыр не верил.

Откуда берутся черные дыры?

Ученые полагают, что черные дыры бывают разными по происхождению. Черной дырой в конце жизни становятся массивные звезды: за миллиарды лет в них меняется состав газов, температура, что приводит к нарушению равновесия между гравитацией звезды и давлением раскаленных газов. Тогда происходит коллапс звезды: ее объем уменьшается, но, поскольку масса не меняется, растет плотность. Типичная черная дыра звездной массы имеет радиус 30 километров и плотность вещества более 200 млн тонн на кубический сантиметр. Для сравнения: чтобы Земля стала черной дырой, ее радиус должен составить 9 миллиметров.

Существует еще один вид черных дыр — сверхмассивные черные дыры, которые образуют ядра большинства галактик. Их масса в миллиард раз больше массы звездных черных дыр. Происхождение сверхмассивных черных дыр неизвестно, есть гипотеза, что когда-то они были черными дырами звездной массы, которые росли, поглощая другие звезды.

Есть также спорная идея о существовании первичных черных дыр, которые могли появиться от сжатия любой массы в начале существования Вселенной. Кроме того, существует предположение, что очень маленькие черные дыры с массой, близкой массе элементарных частиц, образуются на Большом адронном коллайдере. Однако подтверждения этой версии пока нет.

Черная дыра поглотит нашу галактику?

В центре галактики Млечный Путь есть черная дыра — Стрелец А*. Ее масса в четыре миллиона раз больше массы Солнца, а размер — 25 миллионов километров — примерно равен диаметру 18 солнц. Подобные масштабы заставляют некоторых задаваться вопросом: а не угрожает ли черная дыра всей нашей галактике? Основания для таких предположений есть не только у фантастов: несколько лет назад ученые сообщили о галактике W2246–0526, которая находится в 12,5 млрд световых лет от нашей планеты. Согласно описанию астрономов, находящаяся в центре W2246–0526 свермассивная черная дыра постепенно разрывает ее на части, а возникающее в результате этого процесса излучение разгоняет во все стороны раскаленные гигантские облака газа. Разрываемая черной дырой галактика светится ярче, чем 300 триллионов солнц.

Однако нашей родной галактике ничего подобного не угрожает (по крайней мере в краткосрочной перспективе). Большинство объектов Млечного Пути, включая Солнечную систему, находится слишком далеко от черной дыры, чтобы ощутить ее притяжение. Кроме того, «наша» черная дыра не втягивает весь материал, как пылесос, а выступает лишь гравитационном якорем для группы звезд, находящихся на орбите вокруг нее — как Солнце для планет.

Впрочем, даже если мы когда-нибудь и попадем за горизонт событий черной дыры то, скорее всего, даже не заметим этого.

Что будет, если «упасть» в черную дыру?

Объект, притянутый черной дырой, скорее всего, не сможет оттуда вернуться. Чтобы преодолеть гравитацию черной дыры, нужно развить скорость выше скорости света, но человечество пока не знает, как это можно сделать.

Гравитационное поле вокруг черной дыры очень сильно и неоднородно, поэтому все объекты рядом с ней меняют форму и структуру. Та сторона предмета, которая находится ближе к горизонту событий, притягивается с большей силой и падает с большим ускорением, поэтому весь предмет растягивается, становясь похожим на макаронину. Это явление описал в своей книге «Краткая история времени» знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг. Еще до Хокинга астрофизики назвали это явление спагеттификацией.

Если описывать спагеттификацию с точки зрения космонавта, который подлетел к черной дыре ногами вперед, то гравитационное поле будет затягивать его ноги, а затем растянет и разорвет тело, превратив его в поток субатомных частиц.

Со стороны увидеть падение в черную дыру невозможно, так как она поглощает свет. Сторонний наблюдатель увидит лишь, что приближающийся к черной дыре объект постепенно замедляется, а затем и вовсе останавливается. После этого силуэт объекта будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, и наконец просто исчезнет навсегда.

По предположению Стивена Хокинга, все объекты, которые притягивает черная дыра, остаются в горизонте событий. Из теории относительности следует, что вблизи черной дыры время замедляется вплоть до остановки, поэтому для того, кто падает, самого падения в черную дыру может никогда не произойти.

А что внутри?

Достоверного ответа на этот вопрос по понятным причинам сейчас не существует. Впрочем, ученые сходятся во мнении, что внутри черной дыры привычные нам законы физики уже не действуют. Согласно одной из самых захватывающих и экзотических гипотез, пространственно-временной континуум вокруг черной дыры искажается настолько, что в самой реальности образуется прореха, которая может быть порталом в другую вселенную — или так называемой кротовой норой.

Черные дыры: самые таинственные объекты Вселенной