Черные дыры

 

При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.

 

Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3Msun, скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.

 

Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Черные дыры

 

Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3Msun, то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.

 

Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 105–106 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10–3 секунды.

 

Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары — источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.

 

У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» — все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.

 

Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3Msun, испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).

 

В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.

 

Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск  
2012

 

 

 

Чёрные дыры

 

Содержание

 

Введение 2

 

Внешнее строение черной дыры 2

 

Временные туннели? 3

 

Эргосфера 3

 

Метаморфозы чёрных дыр 4

 

Найдена ли уже чёрная дыра? 6

 

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра? 7

 

Гипотеза Лапласа 9

 

Работы Хоукинга 9

 

Заключение 10

 

Использованная литература: 11

Введение

 

 Черные дыры – объекты  вселенной, которые привлекают интерес  многих учёных-астрономов. Чёрные  дыры, космические объекты, существование  которых предсказывает общая  теория относительности. Образуются  при неограниченном гравитационном  коллапсе массивных космических  тел (в частности, звезд с массами 40-60 MQ). Коллапс гравитационный - катастрофически быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации).

Внешнее строение черной дыры

 

 Черная дыра обладает  внешним гравитационным полем, свойства  которого определяются массой, моментом  вращения и, возможно, электрическим  зарядом, если коллапсирующая звезда  была электрически заряжена. На  больших расстояниях поле чёрной  дыры практически не отличается  от полей тяготения обычных  звёзд, и движение других тел, взаимодействующих с чёрной дырой  на большом расстоянии, подчиняется  законам механики Ньютона. Гравитационное  поле настолько сильно, что абсолютно  не может испускать свет, поэтому  они кажутся чёрными.

 

 Катастрофическая гравитация  сжатием (коллапсом) может заканчиваться, в частности, эволюция звёзд, масса  которых к моменту сжатия превышает  критическую величину. Значение  критической массы точно не  определено и в зависимости  от принятого уравнения состояния  вещества меняется от 1,5MQ  до 3MQ (где MQ - масса Солнца).

 

 Если после потери  устойчивости в звезде не происходит  освобождения энергии, достаточной  для остановки сжатия или для  взрыва, при котором оставшаяся  после взрыва масса стала бы  меньше критической, то центральные  части звезды коллапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса rg. Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если её радиус уменьшится до rg (до радиуса сферы Шварцшильда). Основное свойство сферы Шварцшильда состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые с поверхности звезды, достигшей этой сферы, не могут выйти наружу. Таким образом, в результате гравитационного сжатия массивных звёзд появляется область пространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физических процессах, происходящих внутри неё.

Временные туннели?

 

 Известны трудности, связанные  с межзвездными перелетами. В  ряде теоретических работ показана  возможность существования туннелей, соединяющих любые отдаленные  области Метагалактики или различные  мини-вселенные в Большой Вселенной. Система из двух туннелей, обеспечивающая  движение вещества и излучения  в любом направлении, для внешнего  наблюдателя будет весьма сходной  с двойной системой, состоящей  из черной и белой дыры.

 

 Через аналог черной  дыры возможен проход из одной  части нашей Вселенной в другую  ее часть или в другую вселенную. Через аналог белой дыры возможен  доступ к нам. Идея применения  топологических туннелей использована  в романе известного американского  астрофизика К. Сагана «Контакт».

Эргосфера

 

 Как показывают расчёты, у вращающейся чёрной дыры  вне её поверхности должна  существовать область, ограниченная  поверхностью статического предела, то есть эргосфера. Сила притяжения со стороны чёрной дыры, действующая на неподвижное тело, помещенное в эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта сила конечна. Любые частицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг чёрной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере энергии вращающейся чёрной дыры. Это возможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается (например, в результате взрыва) около поверхности чёрной дыры, на две части, причём одна из них продолжает падение на чёрную дыру, а вторая вылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергия вылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительная энергия при этом черпается из энергии вращения чёрной дыры. С уменьшением момента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностью чёрной дыры и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего тела препятствует образованию чёрной дыры вследствие действия сил вращения. Поэтому чёрная дыра не может иметь момент вращения больший некоторого экстремального значения.

Метаморфозы чёрных дыр

 

 Как показывают квантово  механические расчёты, в сильном  гравитационном поле чёрных дыр  могут рождаться частицы - фотоны, нейтрино, гравитоны, электрон-позитронные  пары и др.; в результате она  излучает как чёрное тело с  эффективной температурой даже  тогда, когда никакое вещество  на неё не падает. Энергия этого  излучения черпается из энергии  гравитационного поля чёрной  дыры, что со временем приводит  к уменьшению её массы. Однако  из-за низкой эффективности процессы  квантового излучения несущественны  для массивных чёрных дыр, возникающих  в результате коллапса звёзд. На ранних (горячих и сверхплотных) этапах развития Вселенной в  ней из-за неоднородного распределения  вещества могли образоваться  чёрные дыры с различной массой - от 10ѕ5 г до массы Солнца и  больше. В отличие от чёрных  дыр - сколлапсировавших звёзд, эти чёрные дыры получили название первичных.

 

 Процессы квантового  излучения уменьшают массу чёрной  дыры, и к настоящему времени  все первичные чёрные дыры  с массой меньше 1015 г должны  были "испариться". Интенсивность  и эффективная температура излучения  чёрной дыры увеличиваются с  уменьшением её массы, поэтому  на последней стадии (для массы  порядка 3.109 г) "испарение" чёрной  дыры представляет собой взрыв с выделением 1030 эрг за 0,1 сек. Первичные чёрные дыры, массой большей, чем 1015 г остались практически неизменными. Обнаружение первичных чёрных дыр по их излучению позволило бы сделать важные выводы о физических процессах, протекавших на ранних стадиях эволюции Вселенной.

 

 Поиски чёрных дыр  во Вселенной представляют собой  одну из актуальных задач современной  астрономии. Предполагается, что чёрные  дыры могут быть невидимыми  компонентами некоторых двойных  звёздных систем. Однако этот  вывод не достоверен, т.к. одна  из звёзд двойной системы, будучи  нормальной звездой, может оказаться  невидимой на фоне более сильного  свечения второй компоненты. Другой  нахождения чёрной дыры в двойных  системах основывается на изучении  свечения вещества, которое перетекает  к ней с соседней (обычной) звезды. Вблизи чёрной дыры из перетекающего  вещества образуется диск, его  слои движутся вокруг чёрной  дыры с различными скоростями.

 

 И

з-за трения между соседними слоями вещество в диске нагревается до десятков миллионов градусов, и внутренние области диска излучают энергию в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра (Излучение черных дыр не может покинуть черные дыры — оно “заперто” гравитацией). Аналогичное излучение будет рождаться и в том случае, если на месте чёрной дыры в двойной системе будет находиться нейтронная звезда, но последняя не может иметь массу больше некоторого предельного значения. В результате космических исследований открыто большое число источников рентгеновского излучения в двойных звёздных системах. Черные дыры можно обнаружить лишь по косвенным данным.

Найдена ли уже чёрная дыра?

 

 Ученые твердо верят  в то, что черные дыры действительно  существуют. Общая теория относительности  Альберта Эйнштейна предсказывала  возможность существования подобных  объектов еще в 1917 году, а за  последние десятилетия астрономы  обнаружили множество свидетельств  их присутствия во многих областях  космического пространства.

 

 Известно более 5 объектов, в состав которых, вероятно, входят  черные дыры. Тем не менее, есть  только косвенные подтверждения, но нет неопровержимых доказательств. Наиболее вероятным кандидатом  в чёрные дыры является рентгеновский  источник Лебедь Х-1, обнаруженный  в начале 1970-х годов в Х-бирнарных системах. Масса источника в этой системе, которую можно оценить из наблюдаемой скорости движения оптической звезды по орбите и законов Кеплера, превышает предельное значение массы для нейтронной звезды.

 

 

 

 

 Рентгеновское изображение  галактик “Антенны”, полученное  “Чандрой”.

 © NASA/SAO/CXC/G. Fabbiano et al.

 

 Рентгеновская обсерватория “Чандра” обнаружила в нескольких галактиках с высоким темпом звездообразования места расположения возможных черных дыр со средней массой.

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра?

 

 Данные из Цифрового  обзора неба DSS, созданного Институтом  Космического телескопа, сыграли  важную роль в открытии древней  черной дыры, движущейся через  галактические окрестности Солнца. Эта черная дыра в паре с  небольшой звездой-компаньоном, чье  вещество она поглощает, движется  по вытянутой орбите, пересекая  дальние области Млечного Пути. Ученые предполагают, что черная  дыра является остатком массивной  звезды, завершившей свое существование  миллиарды лет назад и благодаря  гравитационным эффектам выброшенная  из родного звездного скопления.

 

 Исследовавшийся объект  носит обозначение XTE J1118+480, он был  обнаружен при наблюдениях на  рентгеновском спутнике “Росси-ХТЕ” 29 марта 2000 года. Позднее оптические  и радионаблюдения позволили  определить, что расстояние до  него составляет 6000 световых лет.

 

 Как известно, большинство  звезд Млечного Пути находятся  в тонком галактическом диске. Однако некоторая часть звезд  содержится в шаровых скоплениях, состоящих из сотен тысяч старых  звезд и движущихся по орбитам, выходящим за пределы галактической  плоскости. Орбита XTE J1118+480 похожа на  орбиты шаровых скоплений, а скорость, с которой происходит движение, составляет 145 км/с относительно  Солнца.