Черные дыры: сущность и особенность образования

1. Что из себя представляют Чёрные Дыры

2. Как Черные дыры образуются

Черные дыры не могут быть замечены непосредственно, но астрономы могут видеть доказательство их существования, когда газы извергаются на звезду-спутник.Если взорвать динамит, то крошечные осколки взрывчатого вещества глубоко вонзятся в ближайшие объекты, таким образом оставляя несмываемый доказательство произошедшего взрыва.Астрономы нашли подобный отпечаток на звезде, которая движется по орбите вокруг чёрной дыры, небезосновательно полагая, чтобы данная чёрная дыра - бывшая звезда, которая разрушилась настолько сильно, что даже свет не может преодолеть её силу гравитации, - возникла в результате взрыва сверхновой звезды. К этому времени, астрономы наблюдали взрывы сверхновых звёзд и обнаружили на их месте пятнистые объекты, которые, по их мнению, и являются чёрными дырами. Новое открытие - первое реальное доказательство связи между одним событием и другим. (Чёрные дыры нельзя непосредственно увидеть, но о их присутствии иногда можно судить по действию их гравитационного поля на ближайшие объекты. Система "звезда-и-чёрная дыра", обозначенная как GRO J1655-40, находится приблизительно на удалении в 10,000 световых лет в пределах нашей галактики Млечного пути. Обнаруженная в 1994 году, она привлекла внимание астрономов сильными вспышками рентгеновских лучей и обстрелом радиоволн, поскольку чёрная дыра выталкивала газы на звезду-спутник, находящуюся на расстоянии 7.4 миллионов миль. Исследователи из Испании и Америки начали внимательно присматриваться к звезде-спутнику, полагая, что она могла сохранить какой-либо след, свидетельствующий о процессе формирования чёрной дыры.Считается, что черные дыры, размером со звезду, являются телами больших звёзд, которые просто уменьшились до таких размеров после того, как израсходовали всё своё водородное топливо. Но по непонятным пока причинам, затухающая звезда трансформируется в сверхновую прежде, чем взорваться. Наблюдения системы GRO J1655-40 в августе и сентябре 1994 года позволили зафиксировать, что потоки выбрасываемого газа имели скорость, составляющую до 92 % от скорости света, что частично доказывало наличие там чёрной дыры. Если учёные не ошибаются, то часть взорвавшихся звезд, которые, вероятно, в 25-40 раз больше, чем наше Солнце, превратилась в выжившие спутники. Это именно те данные, которые астрономы обнаружили. Атмосфера звезды-спутника содержала более высокую, чем обычно, концентрацию кислорода, магния, кремния и серы - тяжелые элементы, которые могут быть созданы в большом количестве только при температуре в мультимиллиард градусов, которая достигается во время взрыва суперновой звезды. Это и явилось первым доказательством, действительно подтверждающим справедливость теории о том, что некоторые чёрные дыры вначале возникли как сверхновые звёзды, поскольку увиденное не могло быть рождено звездой, которую наблюдали астрономы.

3. Как обнаруживали Чёрные дыры

Как известно, «черные дыры» нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями -- их существование устанавливается по тому мощному влиянию, которое они оказывают на другие объекты или по мощному рентгеновскому излучению.

Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса "высасывает" вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу. Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале семидесятых годов. Она находится в созвездии Лебедя и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCХ3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке. Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о "темных звездах". В 1783 году он писал: "Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела". Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его старт планируется на 2000 год.

Измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта (A.Eckart).Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение звезд может наблюдаться лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2.6 млн массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998) А.М. Гез (A.M. Ghez; Университет штата Калифорния, Беркли). Вместе с коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом Телескопе им. Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они установили, что звезды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с! По мнению Гез, такую скорость звездам может придать лишь «черная дыра» с массой 2.7 млн Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, по всей видимости, так же находится огромная «черная дыра».

Несколько лет назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газовые облака, в которых молекулы благодаря внешней "накачке" излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел. Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс. Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.

Американским астрономам удалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались "тихими". Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу сравнимую с массой миллиардов Солнц, сжатую до размеров Солнечной системы. В то время, как небольшой процент супермассивных черных дыр излучают мощные рентгеновские потоки (известны как активное галактическое ядро), огромное большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладает. Последние наблюдения показали, что "тихие" супермассивные черные дыры также имеют рентгеновское излучение, но гораздо меньшее чем активное галактическое ядро. Новые результаты вселяют надежду, что супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и нашей, и могут стать ключом в вопросе происхождения Вселенной.

На снимке, сделанном с помощью нового космического спектрографа Хаббла (Hubble's new Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)), запечатлен "автограф" сверхмасивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет покинуть окрестность черной дыры даже свету (см. центр снимка), ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого, определенная с помощью эффекта Допплера, составляет примерно 380 км/сек на расстоянии 26 световых лет от центра М84, галактики, находящейся в кластере галактик в созвездии Девы в 50 000 000 световых лет от нас. Данные STIS'а показывают, что излучение газа, движущегося в нашем направлении, смещенное в фиолетовую часть спектра (левая часть снимка), справа от центра снимка смещается в красную область (удаляющийся газ), указывая на наличие быстро вращающегося вокруг центра галактики диска вещества. В результате мы видим характерный S-образный росчерк черной дыры, масса которой составляет по меньшей мере 300 000 000 масс Солнца. Вполне вероятно, что в центре всех галактик расположены черные дыры.

4. Гипотезы и парадоксы

Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!) Астрономы теперь точно знают, что под влиянием "линзы тяготения", которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством "линз тяготения". Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо. Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее "капсулы". Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом. Вообразив совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии? По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за "горизонт событий" и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок... Общая теория относительности говорит, что понятия "вовне" и "внутри" не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания "налево" или "направо", "верх" или "низ". Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.

Из окружающей ее окрестности черная дыра высасывает гигантские количества материи: в каждую минуту проглатывается масса, равная нашему земному шару. Но прежде чем исчезнуть в утробе черной дыры, материя завихряется, как вода в ванне при спуске. Все быстрее и быстрее вращается ее поток, и, поскольку ее частицы все сильнее ударяются одна о другую, они нагреваются на многие миллионы градусов Цельсия. Столкновение частиц и рождает рентгеновское излучение, которое улавливают земные астрофизики. Космические процессы, о которых здесь было рассказано, в настоящее время происходят достаточно редко. Почти все рентгеновские лучи, которые в наши дни регистрирует спутник "Росат", приходят к нам из далекого прошлого, когда образование звезд шло энергичнее. Но к тому времени уже были черные дыры. А совсем недавно, в конце февраля 1998 года, в журнале "Астрономические известия" появилась статья, в которой исследователи пытаются определить время "наибольшего аппетита" у черных дыр. Расчеты показывают, что таким аппетитом они обладали еще до того, как большинство газовых шаров сжалось и превратилось в яркие звезды. Черные дыры в те времена отличались поистине колоссальной прожорливостью. Следовательно, можно полагать, что черные дыры появились вскоре после первоначального взрыва, породившего нашу Вселенную, но еще до того, как возникли первые звезды. Многое говорит и о том, что такие сверхмассивные черные дыры стали ядрами, вокруг которых впоследствии образовались галактики, объединяющие миллиарды солнц. Если эта гипотеза выдержит проверку временем, то она заставит изменить принятую ныне модель первоначаль ного образа мироздания.

Совсем недавно орбитальный телескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики "Центавр-А" (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли - десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра "заглатывает" маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.

Oказывается, своеобразные "черные дыры" есть и на Земле. Более того, в конце мая этого года сотрудники территориального центра "Томскгеомониторинг" обнаружили подобную около Томска, в 2 км от поселка Зоркальцево. На поверхности земли на пахотных угодьях АОЗТ "Октябрь" образовался провал. Его устье имеет овальную форму, шириной 1,5-2 м. Глубина образовавшейся полости 4-5 м. "Прямых признаков, - пишет и.о. директора "Томскгеомониторинга" Ю.Макушин, - указывающих на происхождение депрессии, при обследовании не обнаружено. Возможно, образование провала связано с активизацией суффозиозных процессов или с техногенными причинами..." Поучается, что целый "КамАЗ" земли просто так исчез? Очень интересное объяснение этой загадке дает научный руководитель лаборатории "Природно-техногенные электромагнитные системы" (ПТЭС) ТПУ Владимир Сальников. Оказывается, все дело в "подземной грозе". Под землей гремят свои "громы", сверкают "молнии". Чтобы понять суть явления, давайте немного обратимся к истории. В начале века физики выдвинули гипотезу "подземной грозы", возникающей в результате накопления электрического заряда в недрах Земли. Результатом подобного "пробоя" могут быть оползни, землетрясения, провалы. В 70-х годах в Томском политехническом институте по инициативе ректора, профессора Александра Воробьева, всерьез взялись за эту проблему, привлекли широкий круг специалистов, в основном геологов и физиков. Минералы и горные породы нагревали, сжимали, облучали и т. д. после чего регистрировали их электромагнитное излучение. Ученые доказали, что "подземная гроза" существует, и огромные толщи горных пород могут генерировать импульсы большой мощности. Это и есть "подземная гроза", выход на земную поверхность которой может порождать эти самые провалы, аномалии, "черные дыры". Как утверждает Владимир Сальников, основная "подзарядка" подземных молний происходит по техногенным причинам, в силу "энергетической" загрязненности окружающей среды. Поскольку последние десятилетия техногенная, искусственная нагрузка на окружающую среду резко возросла, участились природные аномалии. Особенно в казахстанских степях, в районе Семипалатинского ядерного полигона, где периодически появляются ямы до 4 метров в диаметре. По мнению исследователей, это результат накопления избыточной энергии подземных ядерных взрывов. Обычно она реализуется в виде сейсмических колебаний, здесь же мы имеем техногенно-литосферный выход электромагнитных систем с "всасыванием", захватом вещества, как в космических "черных дырах". Между прочим, - продолжает Владимир Сальников, - мы ожидали эту находку, обнаружению геологами вблизи Зоркальцева. Мы предполагаем, что провалы в земной поверхности образовались в результате недавних ядерных испытаний в Индии, Пакистане, разрушительных землетрясений в Афганистане, на Камчатке. То есть в литосфере произошла активация, и в результате образовались подобные полости. Предполагаю, что ям, подобных зоркальцевской, появилось множество, и самой различной конфигурации. Но большинство из них идентифицировать довольно сложно. Выход на поверхность электромагнитных систем, например, в болотистой местности обнаружить практически невозможно. В лесу же он будет "замаскирован" растительностью. Почему техногенно-литосферный выход происходит не сразу? Наш многолетний опыт таких исследований подсказывает, что энергия какое-то время накапливается, и лишь потом происходит релаксация... А опыт, и немалый, у политехников действительно есть. В комитет природных ресурсов по Томской области поступил исследовательский проект по изучению закономерностей генерирования электромагнитных систем в геоактивных зонах литосферой и техногенными процессами. В обосновании говорится, что в лаборатории ПТЭС имеется десятилетний опыт исследования энергоактивных зон с элементами природно-техногенной разгрузки, по прогнозу экологических катастроф, в результате механоэлектрических преобразований в литосфере, вследствие ее природной и техногенной активации сейсмическими явлениями и ядерными взрывами. Разумеется, объяснение феномена "черной дыры" под Зоркальцевом, которое привел Владимир Сальников, - одна из гипотез. Быть может, причины этого явления куда более прозаические, чем эхо ядерных испытаний в Индии и Пакистане. А может, наоборот, гораздо загадочней и экзотичней. Как знать. Одно не вызывает никаких сомнений - подобные феномены, как земные "черные дыры", которые появляются уже много лет и не только у нас, требуют тщательного научного изучения.

Еще 200 лет назад вопросом о влиянии гравитации на распространение света звезд задался ныне мало кому известный английский естествоиспытатель Джон Мишелл. Большинство ученых в те времена считали, что свет состоит из частиц. И Мишелл исходил из того, что частицы света в своем движении будут замедляться тяготением звезды или планеты, от которой они удаляются. Он сделал расчет: какой должна быть наименьшая сила притяжения, чтобы частицы света не могли покинуть их источник. Его вычисления говорили, что небесное тело, весящее в 500 раз больше нашего Солнца, вообще не позволит частицам света покинуть его.

"Если такие тела в природе действительно существуют, - заключал свою работу Мишелл, - их свет нас никогда не достигнет". Идеи ученого на какое-то время привлекли внимание научных кругов, но последователей он не обрел.

Прошло 13 лет, и французский философ Пьер Симон Лаплас, по всей видимости незнакомый с работами Мишелла, пришел к аналогичному выводу. Но тут вскоре было доказано, что свет - волновое явление. Гипотезы Мишелла и Лапласа ученые оставили в стороне. Все, что касалось соображений о взаимодействии света и гравитации, Лаплас в последующих изданиях своих работ вычеркнул. черный дыра космос звезда

5. Уравнение Шварцшильц

Лучи света в окрестностях черной дыры. Лучи, которые подлетают к ней слишком близко, будут поглощены ею. На определенном расстоянии лучи пойдут по кругу, радиус которого зависит от массы черной дыры. Более отдаленные лучи могут получить обратное направление, или их траектория будет изогнута. А это означает, что реальное расположение многих небесных тел на самом деле может существенно отличаться от того, что нам видится с Земли.

На рисунках: черная дыра засасывает газ и пыль (1). Компьютерные модели показывают, как искривляется пространство вблизи черной дыры. Для наглядности изображено кольцо (2), возле черной дыры оно изгибается, как поля шляпы. В другом случае, когда черная дыра вращается (пока считают, что некоторые из них неподвижны), кольцо становится еще и асимметричным (3).

Размещено на Allbest.ru