Статья посвящена открытию чёрных дыр. Рассмотрены научные исследования в области астрофизики чёрных дыр. Описаны основные физические процессы, связанные с чёрными дырами. Представлена перспектива дальнейшего изучения чёрных дыр.
Ключевые слова: чёрная дыра, пространство-время, гравитация, аккреционный диск, горизонт событий, сингулярность, теория относительности.
Термин «чёрная дыра» был предложен исследователем Дж. Уилером в 1967 году. В XVIII веке учёными Дж. Митчеллом и П.-С. Лапласом высказывались предположения о возможном существовании во Вселенной загадочных и весьма парадоксальных тел, имеющих колоссальную силу тяготения, которые могут притягивать свет, излучённый даже ими самими. Объекты назвали тёмными звёздами Митчелла — Лапласа, в настоящий момент их называют чёрными дырами. Последовательная теория чёрных дыр невозможна без учета искривляемости пространства-времени. После создания А. Эйнштейном общей теории относительности, было построено описание этих таинственных объектов Вселенной. На настоящий момент уже открыто около двухсот массивных и чрезвычайно компактных объектов, которые астрономы называют чёрными дырами, хотя и с некоторыми допущениями.
Цель работы — изучить информацию о чёрных дырах, их свойствах, физических процессах, связанных с ними, и сопоставить с последними гипотезами и теориями физики.
Чёрная дыра — это объект, искривляющий пространство-время в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с поверхности или изнутри черной дыры даже по световому лучу. Поверхность чёрной дыры — это граница пространства-времени, доступного нашим наблюдениям, — горизонт событий, а её радиус является гравитационным радиусом, который в простейшем случае для сферически симметричной чёрной дыры равен радиусу Шварцшильда. Рис. 1.
Рис. 1. Чёрная дыра — самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в искривленной области пространства-времени
Излучение небесного тела с плотностью Земли и поперечником в 250 диаметров Солнца не способно преодолеть тяготение и достичь удаленного наблюдателя. Возможно, что самые большие и массивные светящиеся объекты во Вселенной остаются невидимыми именно из-за своей величины [1, с. 131].
Возникает вопрос: как обнаружить и определить свойства этих объектов? Расчеты Дж. Митчелла и П. Лапласа основывались на теории тяготения И. Ньютона и корпускулярной природе света. Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно.
В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему, используя принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Массивные тела стягивают пространство-время на себя. Вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.
На поверхности Земли мы испытываем силу гравитационного притяжения. Для того чтобы тело покинуло гравитационное поле Земли оно должно двигаться со скоростью выше второй космической скорости — 11,2 км/с. Эта космическая скорость зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при её радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при этой массе, то вторая космическая скорость была бы выше.
При большой массе и плотности космического тела оно будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно чёрным, из-за того, что свет его покинуть не может. Чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в чёрную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. Гравитационный радиус — важнейшая характеристика чёрной дыры.
В 1916 году немецкий физик Карл Шварцшильд нашел сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решение описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от него. На поверхности нейтронной звезды часы идут со скоростью 70 % от скорости часов вдали от нее. Здесь присутствует значительный эффект расхождения во времени. Решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы должны остановиться [1, с. 275].
Как же определить радиус космического тела, при котором оно может превратиться в массивный объект — чёрную дыру? В современном варианте эта задача выглядит так: каковы должны быть радиус Rsи масса M звезды, чтобы её вторая космическая скорость — минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу на поверхности звезды, чтобы оно вышло из сферы ее гравитационного действия, равнялась скорости света — c. Применяя закон сохранения энергии, получаем величину Rs= 2GM/c2, радиус Шварцшильда, или радиус сферической черной дыры (G — гравитационная постоянная). Несмотря на то, что теория И. Ньютона заведомо неприменима к реальным черным дырам, формула радиуса Шварцшильда верна, что и подтвердил немецкий астроном К. Шварцшильд в рамках общей теории относительности А. Эйнштейна (1915 г.). В этой теории формула определяет, до какого размера должно сжаться тело, чтобы получилась чёрная дыра. Если для тела радиуса R и массы M выполняется неравенство R/M > 2G/c2, то тело гравитационно устойчиво, если нет, то оно коллапсирует в чёрную дыру.
Дальнейшие расчеты показали, что решение Шварцшильда описывает не только условный «центр», а целую идеальную сферу. Для космического путешественника, попадающего внутрь этой сферы, время будет идти по-прежнему. А для сторонних наблюдателей за пределами, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы будут замедляться, пока не исчезнут, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля и в которой скорость убегания равна скорости света, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом событий». Возврата из-за горизонта событий нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь этой сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре.
Гравитационная сингулярность или сингулярность пространства-времени — область сверхвысокого искривления пространства-времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в неё геодезическую линию. Сингулярность в центре черной дыры отражает точечную или центрально-симметричную структуру поля (рис. 2).
Рис. 2. Сингулярность чёрной дыры
Существуют гипотезы, что за горизонтом событий мы обнаружим центральную сингулярность, увидим другую Вселенную и даже будущее. Внутри чёрной дыры с точки зрения далекого наблюдателя, пространственная и временная координаты меняются местами, и путешествие в пространстве превращается в путешествие во времени. С точки зрения внешнего наблюдателя, движение горизонта событий определяется не прошлым, а будущим. Если космонавты выживут, оказавшись внутри сферы Шварцшильда, то все равно ничего не смогут поведать о её содержимом внешнему миру, т. к. нельзя послать сигнал со скоростью, превышающей скорость света.
Современные сверхмассивные чёрные дыры, образовавшиеся несколько миллиардов лет назад, стопроцентными чёрными дырами не являются. С точки зрения далекого наблюдателя, они находятся в асимптотическом состоянии, сжимаясь и долго приближаясь к горизонту событий. [2, с. 47].
Одна из главных особенностей чёрной дыры, предсказанных общей теорией относительности, — наличие горизонта событий, её физической границы, за пределы которой не может уйти световой луч. Горизонт событий не существует как материальная граница, но с учетом замедления времени он становится весьма заметным. Радиус горизонта событий невращающейся черной дыры совпадает с гравитационным. У вращающихся чёрных дыр радиус горизонта событий меньше за счет центробежных сил и эффектов вращения. В своем вращении черная дыра увлекает за собой окружающее пространство. В результате горизонт расположен ближе к ее центру, чем у неподвижной. На рис. 3 показаны невращающаяся чёрная дыраЛебедь Х-1(слева), вращающаяся чёрная дыраXTE J1650–500(справа) и графики пространственного распределения излучения.
Рис. 3. Чёрные дыры Лебедь Х-1 и XTE J1650–500
Как же можно увидеть чёрную дыру? Наблюдать чёрные дыры в телескоп мы пока не можем, но можем измерить их массы по движению в двойных системах. Оптическая звезда в двойной системе не только позволяет измерить массу второй звезды, но также служит своеобразным донором, поставляющим вещество на соседний релятивистский объект — чёрную дыру. Деформируясь в гравитационном поле чёрной дыры, она испускает вещество, образующее вращающийся аккреционный диск, во внутренних областях которого достигаются скорости, близкие к скорости света. Здесь плазма разогревается до десятков миллионов градусов и излучает в жестком рентгеновском диапазоне.
Теоретическое предсказание мощного энерговыделения при аккреции вещества на чёрную дыру было сделано в 1964 г. физиками Я. Б. Зельдовичем и Е. Е. Салпитером. В начале 70-х гг. 20 века в работах учёных Н. И. Шакуры и Р. А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И. Д. Новикова и К. С. Торна была развита теория дисковой аккреции вещества на релятивистский объект [3, P. 14].
Чёрную дыру удается обнаружить по порожденному ею рентгеновскому излучению. Академик Я. Б. Зельдович рассмотрел ситуацию, когда возле чёрной дыры оказывается нормальная звезда, образующая с ней двойную систему. Оказалось, что в этом случае вещество, истекающее из звезды, будет падать на черную дыру. При этом наружу будет выбрасываться энергия в виде мощного потока рентгеновских лучей, такова природа рентгеновского источника «Лебедь Х-1». Рис. 4.
Рис. 4. Чёрная дыра, затягивающая в себя звезду
На околоземной орбите работают рентгеновские интерферометры с высоким разрешением. Проекты «Миллиметрон» и «Субмиллиметрон» входят в состав международной космической обсерватории — интерферометра «космос-Земля-космос» для проведения астрономических исследований в миллиметровом, субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах с предельно высокой чувствительностью и высочайшим угловым разрешением.
В рамках Федеральной космической программы России Астрокосмический центр под руководством академика РАН Н. С. Кардашева разработал наземно-космический радиоинтерферометр «Радиоастрон», в состав которого входит орбитальный аппарат «Спектр-Р» для астрофизических наблюдений. В 2011 г. обсерватория RadioAstron была отправлена на орбиту. С помощью российского телескопа RadioAstron в 2015 г. астрофизикам удалось получить детальные фотографии выброса плазмы из чёрной дыры в центре ядра галактики BL из созвездия Ящерицы. Рис. 5.
Рис. 5. Российский радиотелескоп RadioAstron
С астрофизической точки зрения, обнаруженные чёрные дыры подразделяются на две категории. Первый тип — это чёрные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд колоссальной массы. При наблюдении таких чёрных дыр можно увидеть шлейф газа, затягиваемого в неё. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Второй тип — это гораздо более массивные чёрные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Вещество, падая на такие черные дыры, разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою чёрную дыру. В ядре нашей Галактики — Млечного Пути — были обнаружены звезды со скоростями собственных движений более 1000 км/с. Вблизи центра Галактики, в области с радиусом 0,1 пк, вокруг радиоисточника Стрелец А около 100 измеренных звезд движутся слишком быстро, их скорость увеличивается с приближением к центру. Такие скорости объяснимы в том случае, если Стрелец А — чёрная дыра с массой, равной 2,6 миллиона масс Солнца. Рис. 6.
Рис. 6 Чёрная дыра Стрелец А
После коллапса звезды в чёрную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства чёрной дыры будут одинаковыми, т. е. чёрные дыры подчиняются только законам теории гравитации. В результате столкновения чёрных дыр образуется одна более массивная чёрная дыра. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Площадь сферы Шварцшильда получившейся большой чёрной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных чёрных дыр.
Известный астрофизик Стивен Хокинг смог объяснить излучение чёрной дыры — излучение Хокинга — процесс излучения чёрной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов. Понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего неизлучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываютсяквантовые эффекты. В квантовой механике благодаря туннелированию появляется возможность преодолевать потенциальные барьеры, непреодолимые для неквантовой системы. Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию [4, P. 15].
Стивен Хокинг, совместно с коллегами Малькольмом Перри и Эндрю Стромингером из Кембриджского университета, опубликовал статью, в которой объяснил возможный механизм образования у чёрной дыры «волос», способных рассказать о том, что чёрная дыра в прошлом поглотила. 25 августа 2015 года Стивен Хокинг, выступая на конференции в Королевском технологическом институте в Стокгольме (рис. 7), смог объяснить парадокс излучения чёрных дыр.
Согласно новой идее Стивена Хокинга, чёрная дыра, испаряясь, оставляет после себя не вакуум. На ее горизонте событий постоянно излучающиеся мягкие фотоны образуют нечто вроде «волос». Кроме того, черная дыра должна излучать также мягкие гравитоны — частицы, переносящие гравитационное взаимодействие. По мнению Хокинга, информация хранится на горизонте исчезновения тела. Но поскольку оно никогда не вернется обратно, то оставит всю свою информацию на этой стороне чёрной дыры. Получить поглощенную информацию могут помочь так называемые мягкие фотоны — частицы света с близким к нолю уровнем энергии. Но их показатель мал, и они недоступны для регистрации научными приборами [5, P. 4].
Рис. 7 Выступление Стивена Хокинга на конференции
Тёмная материя, утекающая по спирали в массивную чёрную дыру, может излучать гамма-лучи, которые могут быть видимы с Земли. Темной материи во Вселенной в пять раз больше обычной, но она не излучает, не отражает и не поглощает свет, тем самым являясь полностью прозрачной или невидимой. Но если частицы тёмной материи вокруг тёмных дыр могут производить гамма-лучи — высокоэнергетический свет, то эти излучения могли бы предоставить ученым новый способ изучения тёмной материи. Астрофизик-теоретик Джереми Шниттман работает над проектом по изучению данных космического гамма-лучевого телескопа Ферми на предмет поиска высокоэнергетического света на границе черной дыры, который мог бы излучаться тёмной материей.
Открытым является и вопрос о микроскопических или квантовых чёрных дырах, которые могут возникать в ядерных реакциях. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации, которая еще не создана. 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. Многие маленькие чёрные дыры, называемые первичными, могли появиться в момент образования Вселенной, когда имели место большие деформации пространства-времени. Вместе с тем квантовые эффекты приводят к испарению маломассивных первичных чёрных дыр, но их пока обнаружить не удалось.
В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. Но в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры, и по теории струн энергии для этого процесса требуется гораздо меньше. Не следует преувеличивать опасность микро-чёрных дыр в случае их получения, так как они испаряются очень быстро. В противном случае Солнечная система давно бы прекратила существование — в течение миллиардов лет планеты бомбардируются космическими частицами, чьи энергии на много порядков выше энергий, достигаемых на земных ускорителях.
Наблюдение за такими звездными объектами приближает нас к разгадке тайны рождения Вселенной и возникновения жизни на Земле. В 2015 г. чешские физики из Университета Палацкого в Оломоуце под руководством доктора Томаса Опатрного пришли к сенсационному открытию — вокруг чёрных дыр может существовать жизнь. Планеты, вращающиеся по орбите этих загадочных объектов, могут поддерживать жизнь благодаря разнице температур между холодной чёрной дырой и относительно тёплым космическим микроволновым излучением, равномерно заполняющим Вселенную [6, P. 3].
В научно-фантастическом фильме «Интерстеллар» вокруг чёрной дыры Гаргантюа с аккреционным диском вращаются несколько планет. Из-за близости к чёрной дыре и её гравитационного воздействия время на поверхности планеты Миллер замедлено: один час равен семи годам на Земле. Рис. 8.
Рис. 8. Чёрная дыра «Гаргантюа» и планета Миллер (кадр из научно-фантастического фильма «Интерстеллар»)
Можно ли оценить показанную в этом фильме возможность существования таких процессов на планете Миллер. Интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих на единицу площади поверхности за единицу времени, то есть, когда свет достигает планеты, его интенсивность значительно увеличивается в результате замедления времени. Учитывая силу гравитационного воздействия, температура на ее поверхности составляла бы порядка плюс 900 градусов Цельсия. В фильме на планете Миллер образуются огромные волны из воды, но по оценкам учёных на этой планете образовывались бы волны из расплавленного лёгкого металла и сверхвысокочастотный фон на такой планете был бы губителен для каждого. Но если планета находилась бы дальше от чёрной дыры, то она была бы пригодна для жизни [7, P. 2].
Согласно расчетам учёных, опирающихся на второе начало термодинамики, вращающаяся вокруг чёрной дыры планета размером с Землю может извлекать из разницы температур всего в три градуса около 900 ватт энергии, этого будет достаточно для поддержания жизни. Гипотеза возможности поддержания жизни на планетах за счет разницы температур холодного светила и реликтового излучения интересна. По мере старения Вселенной и гибели планет, где могла зародиться жизнь, она может перемещаться на объекты, окружающие чёрные дыры. По мнению исследователей, жизнь должна будет переселиться на такие планеты, поскольку реликтовое излучение постоянно снижается.
Интересным остаётся вопрос о существовании белых дыр. Израильские астрономы А. Реттер и Ш. Хеллер утверждают, что аномальная гамма-вспышка GRB 060614 в 2006 г. была проявлением процессов в белой дыре. В теории она возникает спонтанно посередине пустоты на мгновение, чтобы выбросить во Вселенную излучения. “Белая дыра” является антиподом чёрной дыры. Некоторые учёные считают, что сквозь эти объекты можно перемещаться на гигантские расстояния и даже в другое время. А. Реттер с коллегами считают, что возникнув, “белая дыра” мгновенно распадается — со вспышкой. Этот процесс напоминает Большой Взрыв — Big Bang, только в масштабе — Small Bang [8, P. 4].
Согласно исследованиям профессоратеоретической физики Калифорнийского технологического института Кипа Торна, последние научные работы позволили лучше понять процессы, происходящие внутри чёрных дыр; немалое внимание уделяется и моделям чёрных дыр в многомерных пространствах, появляющиеся в теории струн. Но эти исследования относятся уже не к классическим, а к квантовым дырам. Главный же итог последних лет — очень убедительные астрофизические подтверждения реальности существования дыр с массой в несколько солнечных масс, а также сверхмассивных дыр в центрах галактик.
Исследование чёрных дыр — это возможность еще раз взглянуть на горизонт современной науки, которая расширяет наши представления о пространстве-времени. Изучая предельные состояния материи, когда пространство и время переплетаются необычайным образом, мы познаем самые фундаментальные свойства нашего мира.
Литература:
- Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Релятивистская астрофизика. М.: Наука, 1967. 656 с.
- Хокинг С. Чёрные дыры и молодые вселенные. — СПб.: «Амфора», 2001. — 189 с.
- Frolov V., Novikov I. Black Hole Physics: Basic Concepts and New Develop. Kluwer, 1998.
- Hawking S. W. A Brief History of Time. — Bantam Books, 1988.
- Hawking S., Perry M. J., Strominger A. Soft Hair on Black Holes. 5 Jan 2016.ArXiv:1601.00921v1.
- Opatrny T.,Richterek L.,Bakala P. Life under a black sun. 12 Jan 2016. ArXiv: 1601.02897v.
- James O.,Tunzelmann E.n,Franklin P.,Thorne K. S. Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar. 12 Feb 2015. ArXiv: 1502.03808.
- Retter A.,Heller Sh. The Revival of White Holes as Small Bangs. New Astronomy. 2011. ArXiv:1105.2776.
