Черные дыры

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 первоначального 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. 

Оказывается, 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.

 

 

 

 

 

 

 

5. Уравнение Шварцшильда

 

В 1906 году немецкий физик Шварцшильд получил решение уравнений общей теории относительности для поля тяготения сферического тела. Из этого решения следует замечательный вывод: сила притяжения, действующая между массой М и пробной частицей m на расстоянии r от центра тяготеющей массы, возрастает до бесконечности при r = 2GM / cc , где G – гравитационная постоянная, c – скорость света. В рамках же ньютоновской теории сила тяготения стремится к бесконечности при r - > 0 , в силу равенства F = GMm / rr Иными словами, теория относительности предполагает возможность существования объектов с бесконечной гравитационной силой на конечном расстоянии от их центра. Такое расстояние, равное 2GM/cc , называют гравитационным радиусом тела Rg , а сферу с радиусом, равным гравитационноиу – сферой Шварцшильда. Чёрной дырой принято называть тело, сжатое до размеров сферы Шварцшильда. Тяготение такого объекта не даёт ни материи, ни излучению (в том числе и световому) выйти за границы Шварцшильдовской сферы; собственно поэтому Чёрные дыры и имеют такое название. Если тело сжать так, чтобы его радиус сравнялся с гравитационным, то в результате бесконечного нарастания силы тяготения начнётся самопроизвольное непрерывное сжатие вещества в точку, т.н. сингулярность с безграничной плотностью. Такой процесс сжатия тела за сферу Шварцшильда получил название релятивистского гравитационного коллапса и был строго рассчитан в 1939 году американским учёным  Р. Оппенгеймером и  Г. Волковым. В сильном поле тяготения ярко проявляются такие следствия теории относительности, как, например, относительность промежутков времени. Обозначим через t0 интервал времени между двумя событиями на поверхности гравитируещей массы, а через t – промежуток времени между этими же событиями, зафиксированный наблюдателем вне поля тяготения этой массы, движущимся относительно данного тела со второй космической скоростью V= sqrt (2GM/r)  По теории относительности эти два промежутка связаны между собой следующей формулой: t=t0/sqrt(1-VV/cc)=t0/sqrt(1-2GM/rcc) =t0/sqrt(1- Rg/r) Видно что с приближением радиуса тела к гравитационному промежуток времени t увеличится, т.е. для далёкого наблюдения все процессы вблизи чёрной дыры будут казаться замедленными. В частности, само образование чёрной дыры, с точки зрения удалённого наблюдателя, длится бесконечно долго. Пусть дыра образуется в результате сжатия какого-либо тела, например, звезды с начальным радиусом r0. В процессе сжатия он будет уменьшаться по закону r(t)=Rg+(r0-Rg)(e)в степени -ct/eRg  из которого следует, что звезда сожмётся до размеров сферы Шварцшильда лишь при t стремящемся к бесконечности.

 

 

 

Заключение

 

Черные дыры – совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном  смысле слова и не излучение. Это  дыры в пространстве и времени, возникающие  из-за очень сильного искривления  пространства и изменения характера  течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле.

Черные дыры являются в некотором  смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся  в нем физических полей, не зависят  от того, было ли вещество водородом  или железом и т.д. При образовании  черной дыры для внешнего наблюдателя  все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что  другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое  лишь двумя параметрами – массой и вращением. Этим определяются и  форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так  что с полной определенностью  можно сказать, что нет ничего проще черной дыры.

Но и нет ничего более сложного, чем черная дыра, - ведь человеческое воображение даже не в состоянии  представить себе, до какой степени  происходит искривление пространства и изменение течения времени, что в них возникает дыра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. И.А.Климишин . Астрономия наших дней. М., Наука,1986г.
2. И.Новиков . Черные дыры и Вселенная. М., “Молодая гвардия”, 1985г.
3. Я.А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1987г.
4. Две статьи журнала “Наука и Жизнь”, написанных Г.Николаевым.
5. Статья из журнала “Природа”.
6. Материал из интернета с различных астрономических страниц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

 

 

Как себе представляют учёные Чёрную дыру

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Снимок, сделанный с помощью нового космического спектрографа Хаббл.

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).