Главная Новости Карта сайта
Реклама

Меню
Тайны Вселенной / Черные дыры

Черные дыры

Черные дыры во Вселенной В научно-популярной литературе, статьях о Вселенной часто можно встретить термин «черная дыра». У читателя, впервые прочитавшего это словосочетание, сразу возникает образ, скажем, отверстия в стене, отгораживающей темную комнату, иначе, обыкновенная дырка. Упоминание о дырах во Вселенной, первоначально также ассоциируется с неким отверстием в небесах. Последнее суждение отчасти верно, но физическая сущность черной дыры гораздо сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Что такое 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 (John A. Wheeler) 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.

В наше время доказать это может любой школьник, знающий основы физики. Действительно, чем больше космическое тело, тем большую скорость нужно набрать, чтобы навсегда покинуть его. Эта скорость называется второй космической, и для Земли равна 11 км/сек. Но вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, т.к. с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. На Солнце 2-я космическая скорость равна 620 км/сек, но на его поверхности. Если же представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив при этом массу прежней, то 2-я космическая скорость увеличится до половины скорости света или 150 тысяч километров в секунду! Значит, если радиус Солнца уменьшать еще дальше (оставляя массу неизменной), то наступит такой момент, когда вторая космическая скорость достигнет световой или 300 000 км/сек! Лаплас, конечно, не брал в расчет сжатие небесных тел, что играет самую важную роль в образовании черных дыр, но он позволил понять главное: небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость превышает скорость света, становится невидимой для внешнего наблюдателя! Иначе, свет пытается вырваться в пространство, но гравитация не позволяет ему этого сделать, и со стороны мы можем видеть лишь черное пятно в космосе, проще говоря, некую дыру! Подобные выводы были сделаны современником Лапласа английским геологом Дж. Мичеллом в 1783 году, но его труды менее известны.

Как образуются черные дыры

Итак, мы убедились, 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. Гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10мм (при настоящем – 6400км), а для Солнца 3000м (700000 км). Итак, теория гласит о том, что любое небесное тело (звезда, планета) сжавшееся до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, т.к. свет или любое другое излучение не может покинуть данное тело по причине того, что 2-я космическая скорость от гравитационного радиуса и меньше будет выше скорости света. 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. Созвездие Лебедя лучше всего наблюдать летом и осенью, когда оно видно прямо над головой. Объект был назван Лебедь Х-1, и является первым объектом – кандидатом в черные дыры. Он расположен на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 солнц и невидимый объект массой 10 солнц, излучающий в рентгеновском диапазоне. Но позвольте, скажете вы, как же может излучать черная дыра, если мы только что говорили, что ничто не может покинуть ее! Да, это верно, но дело в том, что излучает не сама черная дыра, а лишь вещество, падающее на черную дыру. Именно по излучению падающего вещества мы можем оценивать присутствие черной дыры.

Тяготение 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 если попасть в черную дыру...

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. Закономерен вопрос, а останутся ли живы космонавты, уходящие в бесконечность по часам внешнего наблюдателя. Нет. И дело вовсе не в громадном тяготении, а в приливных силах, которые у столь малого и массивного тела сильно меняются на малых расстояниях. При росте космонавта 1 м 70 см приливные силы у его головы будут гораздо меньше, чем у ног и его просто разорвет уже на горизонте событий. Итак, мы в общих чертах выяснили, что такое черные дыры, но речь пока шла о черных дырах звездной массы. В настоящее время астрономам удалось обнаружить сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять миллиард солнц! Сверхмассивные черные дыры по свойствам не отличаются от своих меньших собратьев. Они лишь гораздо массивнее и, как правило, находятся в центрах галактик – звездных островов Вселенной. В центре Нашей Галактики (Млечный Путь) тоже имеется сверхмассивная черная дыра. Колоссальная масса таких черных дыр позволят вести их поиск не только в Нашей Галактике, но и в центрах далеких галактик, находящихся на расстоянии миллионы и миллиарды световых лет от Земли и Солнца. Европейские и американские ученые провели глобальный поиск сверхмассивных черных дыр, которые, согласно современным теоретическим выкладкам, должны находиться в центре каждой галактики.

Как обнаружить черные дыры

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. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр. Обычно в астрономии говорят о трех типах черных дыр. Первый — черные дыры звездных масс (примерно 10 масс Солнца). Они образуются из массивных звезд, когда в тех заканчивается термоядерное горючее. Второй — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик (массы от миллиона до миллиардов солнечных). И наконец, первичные черные дыры, образовавшиеся в начале жизни Вселенной, массы которых невелики (порядка массы крупного астероида). Таким образом, большой диапазон возможных масс черных дыр остается незаполненным. Но где эти дыры? Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.

Поиск черных дыр

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 — приблизительно 2000–20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000–300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.

Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной. Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Тем временем ученые из NASA планируют расширить диапазон поиска скрытых черных дыр еще дальше во Вселенную. Именно там находится подводная часть айсберга, считают они. В течение нескольких месяцев исследования будут проводиться в рамках миссии «Свифт» (Swift). Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.

Самые большие черные дыры

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» (Integral) космического агентства ESA, способный просматривать небо в гамма-диапазоне. Но и здесь Вселенная заставляет ученых пробираться сквозь тернии.

Поскольку все небо заполнено фоновым гамма-излучением, это мешает находить слабые гамма-всплески от очень далеких источников, занижая, таким образом, действительное количество черных дыр, что сказывается на правильности космологических теорий. Чтобы обойти это препятствие, международная группа, включающая российских ученых Евгения Чуразова и Рашида Сюняева из Института космических исследований, предложила откалибровать приборы «Интеграла» с учетом уровня фонового гамма-излучения. Для этого они решили направить приемники излучения «Интеграла» в сторону Земли, которая «своим телом» закрыла бы общий фон неба. Данное мероприятие было весьма рискованным по причине яркости Земли для устройств «Интрегала», работающих в оптическом диапазоне. Оптика космический обсерватории могла «ослепнуть», т.к. настроена на далекий космос, который на несколько порядков слабее, чем близкая планета. Но ученые провели эксперимент без «потерь», и риск был оправдан. Используя естественный щит от излучений, астрономы замерили уровень приходящего излучения и сравнили полученные записи наблюдений с более ранними. Это позволило найти «нулевую» точку излучений, от которой теперь будет вестись отсчет при анализе новых полученных данных. Таким образом, исключая общий гамма-фон, исследователи смогут более точно выявлять местонахождение черных дыр, уточняя их количество и распределение в пространстве. До запуска «Интеграла» в гамма-диапазоне удалось пронаблюдать всего несколько десятков объектов. К настоящему времени, при помощи этого космического телескопа удалось найти 300 отдельных источников в нашей Галактике и около 100 самых «ярких» черных дыр в других галактиках. Но это только вершина айсберга. Астрономы уверены, что существуют десятки миллионов черных дыр, излучение от которых сливается с фоновым. Все их должен будет обнаружить «Интерграл», что позволит навести идеальный порядок в космологических теориях.

Интересные факты из жизни черных дыр

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. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.

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.




Коллективный разум
Коллективное поведение животных в корне отличается от поведения отдельно взятых индивидов. Стае или популяции присуще непонятное нам пока свойство, которое принято называть «единой волей», либо «повелительным импульсом», которому подчиняются отдельные особи...
Тайны и загадки Солнечной системы
Десять самых невероятных загадок солнечной системы...
Тень в мировых мифах
Издавна, человеческой тени отдавали большое значение и считали её чем то таинственным и мистическим. В большинстве стран существует легенда, что тень – это второе "Я" человека. Особенно миф был распространён на Руси. Славянские народы полагали, что тень может отделяться от человека...
Подземная цивилизация планеты Земля
Можно сказать, что эта загадка планеты Земля разгадана, ведь современные исследователи уже сделали свой вывод – мы не единственные жители на планете Земля. Свидетельства давних лет, а также открытия ученых 20 – 21 века, утверждают, что на Земле, вернее, под землей с глубокой древности и до наших дней существовали загадочные цивилизации.
Инопланетяне скрываются в недрах Земли
Очередные загадки планеты Земля. Неожиданно, как будто сговорившись, уфологи разных стран стали обсуждать тему подземных баз пришельцев. Оказывается, эти базы имеются практически везде: в США, Чили, Китае и, конечно, в России. Сразу же возникает вопрос: почему под землей?
Тайны Земли 2016