Чёрные
дыры во Вселенной
В научно-популярной литературе,
статьях о Вселенной часто
можно встретить термин «черная
дыра. Так что же такое черная дыра? В современной
науке черной дырой принято называть область
пространства-времени, в которой гравитационное
поле (тяготение) столь сильно, что ни один
объект (даже излучение) не может вырваться
из нее. Название же «черная дыра» ввел
в обиход в 1968 году американский физик
Джон Уилер в своей статье об этих удивительных
небесных объектах. Новый термин сразу
стал популярен, заменив собой использовавшиеся
до того названия «коллапсар» и «застывшая
звезда». Значит, эти небесные объекты
попросту подобие звезды (черные шары?),
но с очень сильным полем тяготения? Но
это будет слишком простым (и не совсем
верным) описанием, пожалуй, самых таинственных
объектов во Вселенной. Чтобы глубже понять,
что же это такое, вернемся ненадолго во
времена великого физика Исаака Ньютона,
открывшего закон всемирного тяготения.
Легенда о яблоке, упавшем на голову Ньютона,
может носить спорный характер, но, как
бы там ни было, гениальная догадка ученого
позволила вывести закон об универсальной
силе, действию которой подвержено абсолютно
все! Поле тяготения действует не только
на объемные тела, которые притягиваются
друг к другу, но на микрочастицы и даже
на свет. Это очень важный момент, самым
кардинальным образом связанный с изучением
свойств черных дыр. Первым, кто допустил
существование невидимых звезд, был ученый
18-19 веков Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827), знаменитый
тем, что создал теорию образования планет
Солнечной системы из разряженной материи
(облака). О невидимых звездах Лаплас впервые
написал в 1795 году. Руководствуясь законом
всемирного тяготения, он пришел к выводу,
что звезда с плотностью, равной плотности
Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра
Солнца, не дает ни одному световому лучу
достичь нас из-за своего тяготения; поэтому
возможно, что самые яркие небесные тела
во Вселенной оказываются по этой причине
невидимыми. Известно и доказано, что могут
существовать невидимые небесные тела,
которые в реальности существуют, но не
могут быть наблюдаемы с Земли в виду отсутствия
излучения от них. Все это казалось убедительным
до того, как научный мир не познакомился
в начале 20 века с теорией еще одного великого
физика – Альберта Эйнштейна. Но убедительность
Лапласа и Митчела все же была шаткой по
той простой причине, что в их времена
еще не знали, что скорости выше скорости
света в природе просто не существует.
Общая теория относительности позволила
сделать большой шаг к определению черной
дыры в современном ее понимании. Чтобы
понять суть различия между тяготением
по Ньютону и тяготением по Эйнштейну,
вернемся к опыту со сжатием Солнца. Закон
Ньютона гласит, что при сжатии вдвое гравитация
возрастает вчетверо, но Эйнштейну удалось
блестяще доказать, что гравитация будет
расти быстрее, и чем дальше мы сжимаем
тело, тем быстрее будет расти гравитация.
Если следовать ньютоновскому тяготению,
то гравитация станет бесконечно большой,
если радиус станет равным 0. Эйнштейн
же нашел, что тяготение становится бесконечным
при так называемом гравитационном радиусе
небесного тела. Сфера описываемся таким
радиусом, называется также сферой Шварцшильда.
Иначе, тело не сожмется в точку, оно будет
иметь определенные размеры, но гравитацию,
стремящуюся к бесконечности. Остается
один вопрос: что и каким образом может
сжать звезду до гравитационного радиуса.
Ответ: сама звезда! Пока звезда «живет»
внутри ее происходят термоядерные реакции
создающие потоки излучения к поверхности
газового шара. Но вещество (водород) для
реакций ограничено, и за время от нескольких
десятков миллионов до миллиардов лет
иссякает. После того, как водородное топливо
будет израсходовано, внутреннее давление
создаваемое ранее реакциями исчезнет,
и звезда начнет сжиматься под действием
собственной гравитации примерно так,
как мы сжимает руками большой кусок ваты.
Некоторые звезды сжимаются очень быстро
– катастрофически. Происходит так называемый
гравитационный коллапс. Разрешив вопрос
о сжатии звезд, мы подошли к самому главному
– вопросу существования черных дыр. Мы
выяснили, что теоретически такие объекты
могут существовать, но как найти их практически?
Ведь, по словам знаменитого философа
Конфуция, приходится искать черную кошку
в темной комнате, и неизвестно есть ли
она там вообще. Поиск таинственных объектов
начинался с рентгеновских источников
излучения, т.е. тех, которые излучают всем
известные лучи Рентгена, широко использующиеся
в медицине для съемки костей и внутренних
органов человека. У рентгеновских источников
есть замечательное свойство: они излучают
только при нагревании окружающего газа
до сверх высоких температур. Но чтобы
нагреть газ до такой температуры, нужно
чтобы поле тяготения было очень сильным.
Такими полями обладают сжавшиеся звезды
(белые карлики, нейтронные звезды и….
черные дыры!). Но если белые карлики можно
наблюдать непосредственно, то как вычислить
черную дыру? Астрономы разрешили и эту
задачу. Выяснилось, что если сжавшаяся
звезда имеет массу в два раза превышающую
массу Солнца, то самый вероятный кандидат
в черные дыры. Измерить же массу небесного
тела легче всего если он существует в
паре с другим, проще говоря, в двойной
системе по его орбитальному движению.
Поиск подобных двойных систем, которые
к тому же излучают в рентгене увенчался
успехом. Астрономы нашли такую систему
в созвездии Лебедя, выяснив что, по крайней
мере, один из компонентов обладает массой,
превышающей критическую, т.е. более двух
солнечных масс. Именно по излучению падающего
вещества мы можем оценивать присутствие
черной дыры. Обладая мощным тяготением,
черная дыра забирает у своего компаньона
часть вещества, как бы высасывает материю,
которая по спирали устремляется к черной
дыре. Чем ближе вытягиваемое вещество
к черной дыре, тем сильнее оно разогревается
и, наконец, начинает излучать в рентгеновском
диапазоне, что и фиксируют земные приемники
излучения. При достижении окрестностей
гравитационного радиуса (откуда еще может
вырваться излучение) газ разогревается
до 10 миллионов градусов, а рентгеновская
светимость этого газа в тысячи раз превосходит
светимость Солнца во всех диапазонах!
Вспышки излучения видны не менее, чем
в 200 километрах от центра черной дыры,
а ее действительные размеры составляют
около 30 километров. Итак, черные дыры
существуют, и в действительности представляют
из себя чрезвычайно сжатую область пространства-времени
(для простоты – сверхплотный шар), которую
не способно покинуть никакое излучение.
Следует отметить, что благодаря необычности
черных дыр средства массовой информации
спекулируют на их свойстве поглощать
окружающее вещество. Пройдя около Земли,
черная дыра вполне может своим тяготением
изменить форму Земли и начать затягивать
ее вещество внутрь себя. Но подобное событие
крайне маловероятно, тем более, как было
сказано, ближайшие из них находятся на
расстоянии в несколько тысяч световых
лет. Поэтому даже если допустить, что
черная дыра вдруг направится к Земле,
то достичь она сможет ее только через
несколько тысяч лет, и это при том, что
двигаться она будет со скоростью света.
При этом должно соблюдаться условие точной
направленности к Земле, что на таком расстоянии
теряет всякий смысл. Поэтому с полной
уверенностью можно сказать, что гибель
от черной дыры человечеству не грозит….
Ведя рассказ о черных дырах, мы всегда
говорили о внешнем наблюдателе, т.е. пытались
обнаружить черную дыру извне. А что произойдет
с наблюдателем, если он вдруг окажется
по ту сторону гравитационного радиуса,
иначе именуемого горизонтом событий.
Здесь начинается самое удивительное
свойство черных дыр. Не зря, говоря о черных
дырах, мы всегда упоминали время, точнее
пространство-время. По теории относительности
Эйнштейна, чем быстрее движется тело,
тем больше становится его масса, но тем
медленнее начинает идти время! На малых
скоростях в нормальных условиях этот
эффект незаметен, но если тело (космический
корабль) движется со скоростью близкой
к скорости света, то масса его увеличивается,
а время замедляется! При скорости тела
равной скорости света, масса обращается
в бесконечность, а время останавливается!
Об этом говорят строгие математические
формулы. Вернемся к черной дыре. Представим
себе фантастическую ситуацию, когда звездолет
с космонавтами на борту приближается
к гравитационному радиусу или горизонту
событий. Понятно, что горизонт событий
назван так потому, что мы может наблюдать
какие-либо события (вообще что-то наблюдать)
только до этой границы. Что за этой границей
мы наблюдать не в состоянии. Тем не менее,
находясь внутри корабля, приближающегося
к черной дыре, космонавты будут чувствовать
себя, как и раньше, т.к. по их часам время
будет идти «нормально». Космический корабль
спокойно пересечет горизонт событий,
и будет двигаться дальше. Но поскольку
скорость его будет близка к скорости
света, то до центра черной дыры космический
корабль достигнет, буквально, за миг.
А для внешнего наблюдателя космический
корабль просто остановится на горизонте
событий, и будет находиться там практически
вечно! Таков парадокс колоссального тяготения
черных дыр. Современные технологии позволяют
выявить наличие этих коллапсаров в соседних
галактиках, но обнаружить их удалось
совсем немного. Значит, либо черные дыры
просто скрываются в плотных газопылевых
облаках в центральной части галактик,
либо они находятся в более отдаленных
уголках Вселенной. Итак, черные дыры можно
обнаружить по рентгеновскому излучению,
испускаемому во время аккреции вещества
на них, и чтобы произвести перепись подобных
источников, в околоземное комическое
пространство были запущены спутники
с рентгеновскими телескопами на борту. Поиск
скрытых черных дыр — одна из главных
задач современной рентгеновской астрономии.
Последние прорывы в этой области, связанные
с исследованиями при помощи телескопов
«Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают
лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского
излучения. Самые большие из черных дыр
- супермассивные, которые в миллионы и
миллиарды раз превышают массу Солнца,
а каждая из них находится в центре большинства
галактик. Эти гравитационные монстры
обладают огромным «аппетитом». Все больше
увеличивая свою массу, они уже поглотили
окружающее их вещество на «сумму» в миллионы
Солнц, но еще не насытились, продолжая
свое формирование дальше. В постоянное
меню черной дыры входят: газ, пыль, планеты
и звезды, но иногда приверженцы коллапса
позволяют себе полакомиться и «деликатесами».
На «десерт» черные дыры предпочитают
компактные массивные объекты, например,
черные дыры звездной массы, нейтронные
звезды и белые карлики, ненароком попавшие
в поле тяготения сверхмассивного объекта.
Именно эти объекты издают самые «громкие
крики» во Вселенную в рентгеновском и
гамма диапазоне, когда черная дыра «лакомится»
ими. Казалось бы, достаточно вывести на
орбиту космический телескоп с детекторами
гамма-лучей и начать успешные поиски
гамма-всплесков от черных дыр, переписав
таким образом все подобные объекты. Для
этих целей в конце 2002 года на орбиту был
выведен спутник «Интеграл» космического
агентства ESA, способный просматривать
небо в гамма-диапазоне. Но и здесь Вселенная
заставляет ученых пробираться сквозь
тернии. Некоторые черные дыры считаются
более активными, чем их спокойные соседи.
Активные черные дыры поглощают окружающее
вещество, а если в полет тяготения попадет
«зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо,
то она непременно будет «съедена» самым
варварским способом (разорванная в клочья).
Поглощаемое вещество, падая на черную
дыру, нагревается до огромных температур,
и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском
и ультрафиолетовом диапазоне. В центре
Млечного Пути так же находится сверхмассивная
черная дыра, но ее труднее изучать, чем
дыры в соседних или даже далеких галактиках.
Это связано с плотной стеной газа и пыли,
встающей на пути центру Нашей Галактики,
ведь Солнечная система находится почти
на краю галактического диска. Поэтому
наблюдения активности черных дыр гораздо
эффективней у тех галактик, ядро которых
хорошо просматривается. Мощная гравитация
черной дыры разорвала звезду на части.
Сгустки вещества начали падать на черную
дыру и при достижении горизонта событий,
ярко вспыхивать в ультрафиолетовом диапазоне.
Эти вспышки и зафиксировал новый космический
телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, изучающий
небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня
продолжает наблюдать за поведением отличившегося
объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не
закончилась, а остатки звезды продолжают
падать в бездну времени и пространства.
Наблюдения таких процессов, в конце концов,
помогут лучше понять, как черные дыры
развиваются вместе с их родительскими
галактиками (или, наоборот, галактики
развиваются с родительской черной дырой).
Более ранние наблюдения показывают, что
подобные эксцессы не редкость во Вселенной.
Ученые подсчитали, что в среднем звезда
поглощается сверхмассивной черной дырой
типичной галактики один раз в 10000 лет,
но поскольку галактик большое количество,
то наблюдать поглощения звезд можно гораздо
чаще.