Черные дыры

Возникновение понятия черных дыр

Историю черных дыр надо рассказывать с 1795 года, когда Пьер Симон Лаплас сделал предсказание: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».Само название «черная дыра» появилось в 1968 году. Его в популярной статье ввел Уиллер, и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины «коллапсар» или «застывшая звезда».
Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее. Из области пространства-времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У черной дыры нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий.

Образование черных дыр

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы подавляют внутреннее сопротивление сжатию. Учёные считают, что в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры, и с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Для массивной звезды остаётся один неизбежный путь полного сжатия (коллапса), превращающего её в невидимую чёрную дыру.
В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете, занимаясь исследованиями судьбы большой массы холодного вещества, то, наиболее впечатляющем следствием общей теории относительности оказалось следующее, что когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Когда звезда сжимается до критического размера, известного как гравитационный радиус, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна.

Черная дыра описывается всего тремя параметрами:
массой M (шварцшильдовская черная дыра),
моментом импульса J (керровская черная дыра)
электрическим зарядом Q (черная дыра Керра – Ньюмана).
Знание этих характеристик дает нам полную информацию о черной дыре. Эволюция звезды на поздних стадиях зависит от ее массы. Если она не превышает 1,2–1,4 М(чандрасекxаровский предел), то звезда становится белым карликом. Сильное тяготение белого карлика уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Предполагают, что в нашей Галактике около миллиарда белых карликов.
Если масса звезды не превосходит 2–3 М (предел Оппенгеймера – Волкова), то звезда становится нейтронной. Мощное тяготение нейтронной звезды сдерживается давлением вырожденного нейтронного газа. Предполагают, что количество нейтронных звезд в нашей Галактике около ста миллионнов.
Если масса звезды больше 3 М, то звезда становится черной дырой. Гравитационное поле столь массивной звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного радиуса. Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике около десяти миллионов.

Роль черных дыр в формировании галактик

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

Черные и белые дыры

Уученые говорят о том, что, кроме черных, есть и белые дыры. Они постоянно выбрасывают материю и энергию. И хотя белых дыр никто не видел, то, что они существуют, доказано математически. Астрофизики из Калифорнийского университета недавно вычислили их, решая с помощью суперкомпьютера уравнения теории относительности Эйнштейна."Белых дыр столько же, сколько черных, - убежден американский космолог Блэйк Темпл. - Это космические вулканы, которые выбрасывают поглощенную черными дырами материю, порождая новые вселенные". При этом в точке разрыва между двумя вселенными может существовать своего рода туннель: черная дыра со стороны нашей вселенной и белая со стороны другой. Астрофизики полагают, что вся материя, которая исчезает в черной дыре, в неизмененном виде выталкивается наружу белой. Но происходит это не в последовательности "поглотил - выбросил". Согласно теории относительности, время может течь вспять. "Поэтому, - утверждает профессор Игорь Новиков, член-корреспондент Российской академии наук, - поглощенное выталкивается белой дырой еще до момента поглощения".

Интересные особенности черных дыр

Астрономы получили наблюдательные подтверждения того, что некоторые чёрные дыры вращаются вокруг своей оси, подобно водоворотам. Tod Strohmayer (NASA's Goddard Space Flight Center) исследовал одну из двойных систем с чёрной дырой с помощью орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer и нашёл необычные детали в рентгеновском излучении этой системы, которые раньше были видны только у вращающихся нейтронных звёзд. Следовательно, чёрные дыры, как и нейтронные звёзды, могут вращаться вокруг своей оси. Strohmayer представил результаты своих исследований на Весенней Конференции Американского Физического Общества в Вашингтоне. "Мы видим, что почти все космические объекты вращаются вокруг своих осей, это и планеты, и звёзды, и галактики," - говорит Strohmayer. "С чёрными дырами - сложнее, очень трудно непосредственно увидеть, что они вращаются, так как у них нет твердой поверхности, по которой можно было бы отметить вращение. Мы можем, однако, видеть свет, излучённый веществом, падающим на чёрную дыру. Вещество очень быстро вращаетя вокруг чёрной дыры, прежде чем исчезнуть в ней навсегда."

Астрономы обнаружили относительно малую черную дыру в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, которая излучает в рентгене так же интенсивно, как черные дыры обычных размеров.NGC 4395 - первая галактика, в центре которой найдена маленькая, но очень эффективная сверхмассивная черная дыра.В статье, которая была опубликована в Monthly Notices Королевского Астрономического Общества, астрономы из института астрономии Кембриджского университета пишут о том, что они обнаружили "крошечную" супермассивную черную дыру, которая, вопреки математическим ожиданиям, является столь же мощной, как большие черные дыры в центрах других галактик.Черная дыра, расположенная в галактике NGC 4395, массивнее нашего Солнца в 50000 раз. Обычные известные нам сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца. Согласно астрономам, эта черная дыра "работает" так же, как обычная сверхмассивная черная дыра, несмотря на ее малые размеры.