История открытия и изучения черных дыр


Гипотеза существования черных дыр была впервые выдви­нута английским астрономом Дж. Мичеллом в 1783 г. на осно­ве корпускулярной теории света и ньютоновской теории тяго­тения. В то время волновая теория Гюйгенса и его знаменитый волновой принцип были просто забыты. Не помогла волновой теории поддержка некоторых маститых ученых, в частности известных петербургских академиков М.В. Ломоносова и Л. Эй­лера. Логика рассуждений, приведшая Мичелла к понятию черной дыры, очень проста: если свет состоит из частиц-корпускул светоносного эфира, то эти частицы должны испыты­вать, подобно другим телам, притяжение со стороны гравита­ционного поля. Следовательно, чем массивнее звезда (или пла­нета), тем большее притяжение с ее стороны должны испыты­вать корпускулы и тем труднее свету покинуть поверхность та­кого тела.

Дальнейшая логика подсказывает, что в природе могут су­ществовать такие массивные звезды, притяжение которых корпускулы уже не смогут преодолеть, и они всегда будут ка­заться черными для внешнего наблюдателя, хотя сами по себе могут светиться ослепительным блеском, как Солнце. Физи­чески это значит, что вторая космическая скорость на поверх­ности такой звезды должна быть не меньше скорости света. Вычисления Мичелла дают, что свет никогда не покинет звез­ду, если ее радиус при средней солнечной плотности будет ра­вен 500 солнечным. Вот такую звезду и можно уже назвать черной дырой.


Через 13 лет французский математик и астроном П.С. Лап­лас высказал, скорее всего, независимо от Мичелла, аналогич­ную гипотезу о существовании подобных экзотических объек­тов. Используя громоздкий метод вычисления, Лаплас нашел радиус шара для заданной его плотности, на поверхности кото­рого параболическая скорость равна скорости света. По мнению Лапласа, корпускулы света, будучи тяготеющими частицами, должны задерживаться испускающими свет массивными звезда­ми, которые имеют плотность, равную плотности Земли, а радиус больше солнечного в 250 раз.

Эта теория Лапласа вошла только в первые два прижизнен­ных издания его знаменитой книги «Изложение системы мира», вышедшей в свет в 1796 и 1799 гг. Да, пожалуй, еще австрий­ский астроном Ф. К. фон Цах заинтересовался теорией Лапласа, опубликовав ее в 1798 г. под названием «Доказательство теоре­мы о том, что сила притяжения тяжелого тела может быть столь большой, что свет не может истекать из него».

На этом история исследования черных дыр приостановилась более чем на 100 лет.


хоже, сам Лаплас тихо отказался от столь экстравагантной гипотезы, поскольку он ее исключил из всех остальных прижизненных изданий своей книги, которая выходила в 1808, 1813 и 1824 гг. Возможно, Лаплас не хотел больше тиражировать почти фантастическую гипотезу о колос­сальных звездах, не выпускающих свет. Возможно, его остано­вили новые астрономические данные о неизменности величины аберрации света у разных звезд, что противоречило некоторым выводам его теории, на основании которой он строил свои вы­числения. Но наиболее вероятной причиной того, что о загадоч­ных гипотетических объектах Мичелла—Лапласа все забыли, яв­ляется торжество волновой теории света, триумфальное шествие которой началось с первых лет XIX в.

Начало этого триумфа положила Букеровская лекция анг­лийского физика Т. Юнга «Теория света и цвета», опубликован­ная в 1801 г., где Юнг смело, вопреки Ньютону и другим знаме­нитым сторонникам корпускулярной теории (в том числе и Ла­пласу), изложил сущность волновой теории света, говоря, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светонос­ного эфира. Лаплас, окрыленный открытием поляризации света, принялся «спасать» корпускулы, построив теорию двойного лу­чепреломления света в кристаллах на основе двоякого действия молекул кристалла на световые корпускулы. Но последующие труды физиков О.Ж. Френеля, Ф.Д. Арагон, Й. Фраунгофера и других камня на камне не оставили от корпускулярной теории, о которой серьезно вспомнили лишь спустя столетие, после от­крытия квантов. Все рассуждения о черных дырах в рамках вол­новой теории света в то время выглядели нелепо.


Сразу не вспомнили о черных дырах и после «реабилитации» корпускулярной теории света, когда о ней заговорили на новом качественном уровне благодаря гипотезе квантов (1900) и фото­нов (1905). Черные дыры были вторично переоткрыты лишь по­сле создания ОТО в 1916 г., когда немецкий физик-теоретик и астроном К. Шварцшильд через несколько месяцев после пуб­ликации уравнений Эйнштейна с их помощью исследовал структуру искривленного пространства-времени в окрестности Солнца. В итоге он заново открыл феномен черных дыр, но на более глубоком уровне.

Окончательное теоретическое открытие черных дыр состоя­лось в 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер провели первое яв­ное решение уравнений Эйнштейна при описании процесса формирования черной дыры из сжимающегося облака пыли. Сам термин «черная дыра» впервые был введен в науку амери­канским физиком Дж. Уиллером в 1968 г., в годы бурного возрождения интереса к ОТО, космологии и астрофизике, вызванного достижениями внеатмосферной (в частности, рентгенов­ской) астрономии, открытием реликтового излучения, пульсаров и квазаров.

Источник: neudoff.net

Невидимые звезды

Так уж сложилось, что современные физики описывают устройство нашей Вселенной с помощью теории относительности, которую человечеству в начале 20 века заботливо предоставил Эйнштейн. Тем более загадочными становятся черные дыры, на горизонте событий которых прекращают действовать все известные нам законы физики и эйнштейновская теория в том числе. Это ли не прекрасно? К тому же, догадку о существовании черных дыр высказали задолго до рождения самого Эйнштейна.


древние астрономы картинка древний телескоп наблюдение неба

В 1783 году в Англии наблюдался значительный рост научной активности. В те времена наука шла бок о бок с религией, они неплохо уживались вместе, а ученых уже не считали еретиками. Более того, научными изысканиями занимались священники. Одним из таких служителей Бога был английский пастор Джон Мичелл, который задавался не только вопросами бытия, но и вполне научными задачами. Мичелл был весьма титулованным ученым: изначально он был преподавателем математики и древнего языкознания в одном из колледжей, а после этого за ряд открытий был принят в Лондонское королевское общество.

Джон Мичелл занимался вопросами сейсмологии, но на досуге любил поразмыслить о вечном и космосе.


к у него родилась идея о том, что где-то в глубинах Вселенной могут существовать сверхмассивные тела с такой мощной гравитацией, что для преодоления силы тяготения такого тела необходимо двигаться со скоростью равной или выше скорости света. Если принять такую теорию за истину, то развить вторую космическую скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения покидаемого тела) не сможет даже свет, поэтому такое тело останется невидимым для невооруженного глаза.

Свою новую теорию Мичелл обозвал «темными звездами», а заодно попытался вычислить массу таких объектов. Свои мысли по этому поводу он высказал в открытом письме Лондонскому королевскому обществу. К сожалению, в те времена такие изыскания не представляли особой ценности для науки, поэтому письмо Мичелла отправили в архив. Лишь спустя две сотни лет во второй половине 20 века удалось обнаружить его среди тысяч других записей, бережно хранящихся в древней библиотеке.

Первые научные обоснования существования черных дыр

После выхода Общей теории относительности Эйнштейна в свет, математики и физики всерьез взялись за решение представленных немецким ученым уравнений, которые должны были рассказать нам много нового об устройстве Вселенной. Тем же решил заняться и немецкий астроном, физик Карл Шварцшильд в 1916 году.

Карл Шварцшильд фото метрика шварцшильда черные дыры


Ученый с помощью своих вычислений пришел к выводу, что существование черных дыр возможно. Также он первым описал то, что впоследствии назвали романтической фразой «горизонт событий» — воображаемую границу пространства-времени у черной дыры, после пересечения которой наступает точка невозврата. Из-за горизонта событий не вырвется ничто, даже свет. Именно за горизонтом событий наступает так называемая «сингулярность», где известные нам законы физики перестают действовать.

Продолжая развивать свою теорию и решая уравнения, Шварцшильд открывал для себя и мира новые тайны черных дыр. Так, он смог исключительно на бумаге вычислить расстояние от центра черной дыры, где сконцентрирована ее масса, до горизонта событий. Данное расстояние Шварцшильд назвал гравитационным радиусом.

Несмотря на то, что математически решения Шварцшильда были исключительно верны и не могли быть опровергнуты, научное сообщество начала 20 века не могло сразу принять столь шокирующее открытие, и существование черных дыр было списано на уровень фантастики, которая то и дело проявлялась в теории относительности. На ближайшие полтора десятка лет исследование космоса на предмет наличия черных дыр было медленным, и занимались им единичные приверженцы теории немецкого физика.

Звезды, рождающие тьму


После того, как уравнения Эйнштейна были разобраны по полочкам, настало время с помощью сделанных выводов разбираться в устройстве Вселенной. В частности, в теории эволюции звезд. Ни для кого не секрет, что в нашем мире ничто не вечно. Даже звезды имеют свой цикл жизни, пусть и более долгий, нежели человек.

Субраманьян Чандрасекар физик фото

Одним из первых ученых, которые всерьез заинтересовались звездной эволюцией, стал молодой астрофизик Субраманьян Чандрасекар – уроженец Индии. В 1930 году он выпустил научную работу, в которой описывалось предполагаемое внутреннее строение звезд, а также циклы их жизни.

Уже в начале 20 века ученые догадывались о таком явлении, как гравитационное сжатие (гравитационный коллапс). В определенный момент своей жизни звезда начинает сжиматься с огромной скоростью под действием гравитационных сил. Как правило, это происходит в момент смерти звезды, однако при гравитационном коллапсе есть несколько путей дальнейшего существования раскаленного шара.


Научный руководитель Чандрасекара Ральф Фаулер – уважаемый в свое время физик-теоретик – предполагал, что во время гравитационного коллапса любая звезда превращается в более мелкую и горячую – белого карлика. Но вышло так, что ученик «сломал» теорию учителя, которую разделяло большинство физиков начала прошлого века. Согласно работе молодого индуса, кончина звезды зависит от ее изначальной массы. Например, белыми карликами могут становиться только те звезды, чья масса не превышала 1.44 от массы Солнца. Это число было названо пределом Чандрасекара. Если же масса звезды превышала этот предел, то она умирает совсем иначе. При определенных условиях, такая звезда в момент смерти может возродиться в новую, нейтронную звезду – еще одну загадку современной Вселенной. Теория относительности же подсказывает нам еще один вариант – сжатие звезды до сверхмалых величин, и вот здесь начинается самое интересное.

белый карлик фото рисунок художника

В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.


Лев Ландау фото советский физик черные дыры

Теория Ландау понравилась астрофизикам, и они продолжили ее развивать. В 1939 году в Америке благодаря усилиям двух физиков – Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снейдера – появилась теория, подробно описывающая сверхмассивную звезду на момент коллапса. В результате такого события должна была появиться настоящая черная дыра. Несмотря на убедительность доводов, ученые продолжали отрицать возможность существования подобных тел, как и превращение в них звезд. Даже Эйнштейн отстранился от этой идеи, посчитав, что звезда не способна на такие феноменальные превращения. Другие же физики не скупились в высказываниях, называя возможность таких событий нелепыми.
Впрочем, наука всегда достигает истины, стоит лишь немного подождать. Так и получилось.

Самые яркие объекты во Вселенной

Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.


С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды. Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам.

Галактика NGC 4319 и квазар Маркарян 205 фото черная дыра

Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе. Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».

Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».

аккреационный диск фото картинка фильм интерстеллар

На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.

Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.

Страх бесконечности

Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.

адронный коллайдер фото церн

Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.

На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.

Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.

стивен хокинг фото физик теоретик черные дыры

Источник: voka.me

Чёрная дыра
Аккреционный диск чёрной дыры. Авторы и права: Cepheia / ShutterstockCom.

В конце 2018 года сотрудники обсерватории LIGO объявили об обнаружении самой удалённой и массивной за всё время наблюдений ряби пространства-времени: в результате столкновения двух чёрных дыр возникли гравитационные волны. Лишь в 2015 году, благодаря действию гравитации, стало возможным наблюдать за этими невидимыми космическими объектами. Наша охота за этими загадочными телами берёт своё начало в 18-ом веке, но решающий этап приходится на мрачный период в истории человечества – годы Второй мировой войны.

Концепция объекта, который, захватывая свет, становится невидимым во Вселенной, впервые была предложена в 18-ом веке физиком Джоном Мичеллом, а позже рассмотрена Пьерром-Симоном Лапласом. Они использовали закон тяготения Ньютона при расчёте космической скорости света, излучаемого телом, предсказывая существование звёзд, обладающих такой высокой плотностью, что свет, испускаемый ими, не может вырваться наружу, притягиваясь обратно под действием силы гравитации. Мичелл назвал их “тёмными звёздами”.

Но после того, как в 1801 году был обнаружен тот факт, что свет ведёт себя как волна, стало неясно, каким образом ньютоновское гравитационное поле способно повлиять на свет, поэтому идея провалилась в прореху, существовавшую тогда в знаниях о физике. Только спустя почти 115 лет, после того, как в 1915 году Альберт Эйнштейн выдвинул Общую теорию относительности, а годом позже Карл Шварцшильд нашёл решение, стало понятно, как световая волна может повести себя под влиянием гравитационного поля.

Галактика
Массивная чёрная дыра в центре спиральной галактики. Авторы и права: NASA.

Шварцшильд также высказал предположение о существовании сферы вокруг тела, за пределы которой свет не может вырваться – радиус Шварцшильда. Эта идея перекликалась с идеей Мичелла, но именно благодаря ей эта сфера стала рассматриваться как непреодолимая граница.

В 1933 году Жорж Леметр показал, что такая непреодолимость является лишь иллюзией для внешнего наблюдателя. На примере иллюстрации с участием популярных Алисы и Боба бельгийский физик высказался, что если Боб будет стоять неподвижно, а Алиса прыгнет в чёрную дыру, то Боб увидит, что скорость её падения снизится, а перед тем, как достичь радиуса Шварцшильда, она и вовсе превратится в ледышку. Кроме того, Леметр заявил, что в действительности Алиса сможет преодолеть эту границу – только и для Боба, и для Алисы событие будет происходить по-разному.

Вопреки этой теории, в то время не существовало ни одного известного тела таких размеров, даже и близко похожего на чёрную дыру. В связи с этим никто не верил в возможность существования гипотетических объектов вроде тёмных звёзд, предложенных Мичеллом. Более того, никто даже не осмеливался относиться к такой возможности всерьёз. Но только пока не началась Вторая мировая война.

От тёмных звёзд до чёрных дыр

Первое сентября 1939 года нацистская армия вторглась на территорию Польши, тем самым инициировав войну, перевернувшую историю человечества навсегда. Примечательно, что это произошло в тот же самый день, когда была опубликована первая научная статья, посвящённая чёрным дырам. Получившая известность в наши дни работа под заголовком “О безграничном гравитационном сжатии”, подготовленная двумя американскими физиками Дж. Робертом Оппенгеймером и Хартландом Снайдером, стала переломным моментом в истории открытия чёрных дыр. Такая одновременность событий кажется особенно странной, если учесть, что последние годы войны сыграли важнейшую роль в развитии теории образования чёрных дыр.

Радиус Шварцшильда
Радиус Шварцшильда. Авторы и права: Tetra Quark / Wikimedia Commons, CC BY-SA.

Статья Оппенгеймера была третьей и последней из области астрофизики. В ней он и Снайдер рассказывают о бесконечном сжатии звезды под действием собственных гравитационных сил до образования тела с невероятной силой притяжения, при которой свет не может выйти в открытое пространство космоса. Так появился первый вариант современной концепции чёрной дыры – массивного астрономического объекта с очень сильным гравитационным притяжением.

В 1939 году такое представление о чёрной дыре всё ещё казалось неправдоподобным. Прошло два десятилетия прежде, чем концепция чёрной дыры была доработана в достаточной мере, чтобы физики смогли примириться с описанием процесса непрерывного сжатия тела, предложенным Оппенгеймером. Но наиболее важный вклад в развитие этой идеи внесла сама Вторая мировая война, поскольку правительство США начало вкладывать средства в создание первой атомной бомбы.

Возвращение космоса в физику

Оппенгеймер – это не только ключевой персонаж в истории открытия чёрных дыр. Позже он возглавит “Проект Манхэттен” в тайном исследовательском центре, где разрабатывалось атомное оружие.

Политические деятели уяснили себе всю важность вложения средств в научные исследования и разработки для обретения государством военного преимущества. Неудивительно, что едва ли не весь мир повторил за Америкой и принялся инвестировать в проведение революционных исследований в области физики, в том числе ядерной физики, и в развитие инновационных технологий в привязке к войне. Представители всевозможных отраслей физики стекались в одну отрасль, и, как и следовало ожидать, развитие таких наук, как космология и астрофизика, было заброшено, а вместе с ними и статья Оппенгеймера.

Несмотря на то, что целое десятилетие было посвящено масштабным исследованиям в области астрономии, физика процветала как наука благодаря войне – по сути, физика военных лет перестала “удобрять” астрономию. Правительство США превратило войну в ядро современной физики. Стремительно выросло число докторов философии в области физики, а в сфере образования установилась новая традиция продолжать образование после получения докторской степени.

Аккреционный диск
Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.

К концу войны учёные вернулись к изучению Вселенной. Недооценённая в своё время общая теория относительности пережила возрождение. Война изменила отношение к  изучению физики, и, в конце концов, космология и её отрасли, а также теория относительности получили заслуженное признание. Всё это подготовило благодатную почву для признания существования и понимания чёрных дыр.

Принстонский университет превратился в средоточие нового поколения релятивистов. Именно там физик-ядерщик Джон А. Уилер, который позже популяризовал название “чёрной дыры”, впервые познакомился с общей теорией относительности и заново рассмотрел работу Оппенгеймера. Скептически настроенный поначалу, он – под натиском релятивистского духа и новых достижений в компьютерном моделировании и радиотехнике, получивших развитие в военные годы, – превратился в ревностного поклонника теории Оппенгеймера первое сентября 1939 года – в день, когда разразилась война.

С тех пор учёные строят предположения о всё новых и новых свойствах чёрных дыр и открывают их разновидности, но все теории достигли апогея в 2015 году. Возможность измерения гравитационных волн, создаваемых при сближении двух чёрных дыр, явилась первым вещественным доказательством их существования.

Перевод: Анастасия Майтак.

Источник: universetoday.ru

Чёрные дыры – одна из самых загадочных тем в современной науке, и самая привлекательная для фантастических произведений. Некоторые оптимисты верят, что чёрные дыры можно использовать как порталы для путешествия в другие части Вселенной, а основные теории всё же призывают не строить надежд и иллюзий на то, что, приблизившись к ней, можно вообще остаться в живых. Итак, с чего же всё началось?

Ученые считали, что свет движется с бесконечной скоростью, поэтому ничто не может его остановить, но датскому астроному Олафу Рёмеру в 1676 году удалось доказать, что скорость света конечна. Наблюдая за затмениями, учёный заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, что натолкнуло его на мысль о конечности скорости света.

Олаф Рёмер

Этим фактом заинтересовался позднее английский естествоиспытатель Джон Митчелл, изучающий астрономию, геологию и гравитацию. Впервые в 1784 году упомянул, что в космосе могут существовать массивные тела, гравитация которых настолько сильна из-за высокой плотности, что даже свет не сможет покинуть это тело, и такой объект будет невидимым. Кроме этого, своей гравитационной силой он будет воздействовать и на другие, окружающие его объекты. Он полагал, что подобных объектов во Вселенной может быть очень много, и назвал их «тёмными звёздами». Через несколько лет французский учёный Лаплас высказал аналогичную идею, но затем, решив, что это невозможно, исключил версии о черных дырах из своих работ. К сожалению, вопрос о таинственных объектах в те времена мало интересовал ученых, и о них забыли почти на две сотни лет.

Джон Митчелл

После выхода в свет Общей Теории Относительности (ОТО) Эйнштейна, немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд заинтересовался вопросом существования «тёмных звёзд» во Вселенной. Он использовал ОТО в своих вычислениях для описания необычных объектов и первым придумал красивое название «горизонт событий», что означало границу «тёмной звезды», за которую, если попасть, то уже выбраться никому и ничему не под силу, даже свету. Шварцшильд смог также вычислить расстояние от центра «тёмной звезды» до горизонта событий, назвав это расстояние гравитационным радиусом. Открытия Шварцшильда шокировали публику, учёным казались его выводы чем-то фантастическим, да и как можно было полагаться на них, опираясь, с точки зрения большинства, на весьма сомнительную ОТО!

Карл Шварцшильд

Чтобы понять, откуда берутся чёрные дыры, необходимо знать жизненный цикл звезды (об этом можно прочитать здесь: https://zen.yandex.ru/media/id/5e136f2d3d008800afe2848c/rojdennye-v-tumannostiah-ili-jiznennyi-cikl-zvezdy-5e1a21451e8e3f00b225a279 ).

Аспирант из Индии Субраманьян Чандрасекар во время своего морского путешествия в Англию сумел вычислить, какой величины должна быть звезда, чтобы после израсходования своего ядерного топлива смогла противостоять действию собственных гравитационных сил. Когда звезда уменьшается, частицы становятся всё ближе друг к другу, соответственно, их скорости становятся более различными. Но это отталкивание, согласно ОТО, не может быть беспредельным. Максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света (этот вывод сделан из работ Эйнштейна). Это значит, что когда звезда становится достаточно плотной, отталкивание становится меньше гравитационного притяжения. Чандрасекар рассчитал, что если звезда в полтора раза больше по своей массе, чем Солнце, то она уже не сможет противостоять силам собственной гравитации, и сожмётся, образуя чёрную дыру или нейтронную звезду, вместо того, чтобы взорваться – данное значение звездной массы называется пределом Чандрасекара.

Субраманьян Чандрасекар

В 1932 году советский физик Ландау предположил, что гравитационная сила черной дыры будет настолько велика, что, согласно ОТО, она начнет искажать пространство-время. Такая мысль заинтересовала молодого американского физика Роберта Оппенгеймера, который описал, что из-за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются от своих траекторий, как если бы они перемещались без неё. Такой эффект можно наблюдать в процессе солнечного затмения. Когда звезда сжимается, ее гравитационное поле увеличивается, и наклон лучей становится больше. Световым лучам становится всё труднее вырваться, и свет звезды тускнеет, а, в конце концов, с увеличением сжатия, звезда и вовсе перестает светиться.

Лев Давидович Ландау

Позднее группе ученых удалось доказать, что черные дыры могут вращаться и могут быть нестабильными.

Сам же термин «черная дыра» появился в обиходе только в 1969 году благодаря американскому ученому Джону Уилеру.

В 1970 – х гг. Стивен Хокинг смог доказать, что «чёрные дыры не так уж и черны», сейчас мы понимаем этот феномен как «Излучение Хокинга», более того, известный учёный нашего времени рассказал, что даже таким грозным объектам приходит конец. А суть вот в чём: испарение чёрной дыры – квантовый процесс. Понятие о чёрной дыре, как об объекте, который может только всё поглощать, верно до тех пор, пока не затрагиваются квантовые эффекты. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен частицами, а под воздействием огромных сил прямо из вакуума пространство наполняется парами «частица-античастица». Такие же процессы происходят рядом с горизонтом событий. Если одной из частиц не повезёт упасть внутрь чёрной дыры, то другая её напарница сможет ускользнуть от космического монстра. Причем, несчастная частица, будет обладать отрицательной энергией, а та, которой удалось спастись – положительной. Ещё бы! Философски, не правда ли? Если такие частицы (частица и античастица) столкнулись бы в вакууме, то произошёл бы процесс аннигиляции (взаимоуничтожения), а энергия высвободилась бы обратно в пространство. В случае с черной дырой сбежавшая частица уносит и ее энергию, «воруя», тем самым, ещё и ее массу. Сбежавшие частицы и образуют собой «Излучение Хокинга». Но у нас пока нет успешно разработанной теории квантовой гравитации, поэтому эти факты оспариваются рядом исследователей.

Стивен Хокинг

Конечно, большой шаг вперед в науке – это фотография чёрной дыры, сделанная 10 апреля 2019 года международным проектом «Event Horizon Telescope» , на которой человечество впервые увидело этот загадочный космический объект. Эта дыра обитает в созвездии Девы в огромной эллиптической галактике М87.

Подтвердятся ли идеи Хокинга? Что ещё мы узнаем о черных дырах? Будем следить за новейшими открытиями!

Источник: zen.yandex.ru

Алексей Левин
«Популярная механика» №11, 2005

Научное мышление подчас конструирует объекты со столь парадоксальными свойствами, что даже самые проницательные ученые поначалу отказывают им в признании. Самый наглядный пример в истории новейшей физики — многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.

Озарение Джона Мичелла

Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.

Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты Rкр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца Ms: Rкр = 3 км x M/Ms.

Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет 1808 году, когда большинство физиков уже считало свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них просто не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.

Модель Шварцшильда

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской Академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть его звездой).

Из вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но уменьшает частоту световых колебаний в той же пропорции, в которой замедляет время. Если радиус звезды в 4 раза превосходит гравитационный радиус, то поток времени на ее поверхности замедляется на 15%, а пространство приобретает ощутимую кривизну. При двукратном превышении оно искривляется сильнее, а время замедляет свой бег уже на 41%. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты зануляются, излучение замораживается, и звезда гаснет), однако кривизна пространства там все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.

Несмотря на то что значения гравитационного радиуса у Мичелла и Шварцшильда совпадают, сами модели не имеют ничего общего. У Мичелла пространство и время не изменяются, а свет замедляется. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она только не слишком удаленному наблюдателю. У Шварцшильда же скорость света абсолютна, но структура пространства и времени зависит от тяготения. Провалившаяся под гравитационный радиус звезда исчезает для любого наблюдателя, где бы он ни находился (точнее, ее можно обнаружить по гравитационным эффектам, но отнюдь не по излучению).

От неверия к утверждению

Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.

В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?

В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5–3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.

Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).

Там, за горизонтом

Черная дыра — это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, горизонтом событий. Если звезда перед коллапсом не вращалась, эта поверхность оказывается правильной сферой, радиус которой совпадает с радиусом Шварцшильда.

Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, может уйти на бесконечно далекую дистанцию. А вот сигналы, отправленные из внутренней области, не только не пересекут горизонта, но и неизбежно «провалятся» в сингулярность. Горизонт — это пространственная граница между событиями, которые могут стать известны земным (и любым иным) астрономам, и событиями, информация о которых ни при каком раскладе не выйдет наружу.

Как и положено «по Шварцшильду», вдали от горизонта притяжение дыры обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому для удаленного наблюдателя она проявляет себя как обычное тяжелое тело. Кроме массы, дыра наследует момент инерции коллапсировшей звезды и ее электрический заряд. А все остальные характеристики звезды-предшественницы (структура, состав, спектральный класс и т. п.) уходят в небытие.

Отправим к дыре зонд с радиостанцией, подающей сигнал раз в секунду по бортовому времени. Для удаленного наблюдателя по мере приближения зонда к горизонту интервалы времени между сигналами будут увеличиваться — в принципе, неограниченно. Как только корабль пересечет невидимый горизонт, он полностью замолчит для «наддырного» мира. Однако это исчезновение не окажется бесследным, поскольку зонд отдаст дыре свою массу, заряд и вращательный момент.

Чернодырное излучение

Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка—Уилера, приблизительно равной 10–33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.

Наличие квантовой сингулярности имеет прямое отношение к судьбе материальных тел, падающих вглубь черной дыры. При приближении к центру дыры любой объект, изготовленный из ныне известных материалов, будет раздавлен и разорван приливными силами. Однако даже если будущие инженеры и технологи создадут какие-то сверхпрочные сплавы и композиты с невиданными ныне свойствами, все они все равно обречены на исчезновение: ведь в зоне сингулярности нет ни привычного времени, ни привычного пространства.

Теперь рассмотрим в квантовомеханическую лупу горизонт дыры. Пустое пространство — физический вакуум — на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные «виртуалы» приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.

Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) — внутри. «Внутренняя» частица провалится в дыру, а вот «внешняя» при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе не стабильны.

Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10–7 x Ms/M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 1065 x (M/Ms)3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка—Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.

Максимон родился 40 лет назад — как термин и как физическая идея. В 1965 году академик М. А. Марков предположил, что существует верхняя граница массы элементарных частиц. Он предложил считать этим предельным значением величину размерности массы, которую можно скомбинировать из трех фундаментальных физических констант — постоянной Планка h, скорости света C и гравитационной постоянной G (для любителей подробностей: для этого надо перемножить h и C, разделить результат на G и извлечь квадратный корень). Это те самые 22 микрограмма, о которых говорится в статье, эту величину называют планковской массой. Из тех же констант можно сконструировать величину с размерностью длины (выйдет длина Планка—Уилера, 10–33 см) и с размерностью времени (10–43 сек).
Марков пошел в своих рассуждениях и дальше. Согласно его гипотезе, испарение черной дыры приводит к образованию «сухого остатка» — максимона. Марков назвал такие структуры элементарными черными дырами. Насколько эта теория отвечает реальности, пока что вопрос открытый. Во всяком случае, аналоги марковских максимонов возрождены в некоторых моделях черных дыр, выполненных на базе теории суперструн.

Глубины космоса

Черные дыры не запрещены законами физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгие доказательства наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока не найдены. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.

Черные дыры могут формироваться и в процессе гравитационного сгущения вещества в галактических ядрах. Так возникают исполинские дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, которые, по всей вероятности, имеются во многих галактиках. Судя по всему, в закрытом пылевыми облаками центре Млечного Пути прячется дыра с массой 3-4 миллиона масс Солнца.

Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры произвольной массы могли рождаться и сразу после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Первичные дыры массой до миллиарда тонн уже испарились, но более тяжелые могут и сейчас скрываться в глубинах космоса и в свой срок устроивать космический фейерверк в виде мощнейших вспышек гамма-излучения. Однако до сих пор такие взрывы ни разу не наблюдались.

Фабрика черных дыр

А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 1028 электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.

Однако не исключено, что стандартная оценка минимальной массы дыры значительно завышена. Во всяком случае, так утверждают физики, разрабатывающие теорию суперструн, которая включает в себя и квантовую теорию гравитации (правда, далеко не завершенную). Согласно этой теории, пространство имеет не три измерения, а не менее девяти. Мы не замечаем дополнительных измерений, поскольку они закольцованы в столь малых масштабах, что наши приборы их не воспринимают. Однако гравитация вездесуща, она проникает и в скрытые измерения. В трехмерном пространстве сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а в девятимерном — восьмой степени. Поэтому в многомерном мире напряженность гравитационного поля при уменьшении дистанции возрастает намного быстрее, нежели в трехмерном. В этом случае планковская длина многократно увеличивается, а минимальная масса дыры резко падает.

Теория струн предсказывает, что в девятимерном пространстве может родиться черная дыра с массой всего лишь в 10–20 г. Примерно такова же и расчетная релятивистская масса протонов, разогнанных в церновском суперускорителе. Согласно наиболее оптимистическому сценарию, он сможет ежесекундно производить по одной дыре, которая проживет около 10–26 секунд. В процессе ее испарения будут рождаться всевозможные элементарные частицы, которые будет несложно зарегистрировать. Исчезновение дыры приведет к выделению энергии, которой не хватит даже для того, чтобы нагреть одним микрограмм воды на тысячную градуса. Поэтому есть надежда, что БАК превратится в фабрику безвредных черных дыр. Если эти модели верны, то такие дыры смогут регистрировать и орбитальные детекторы космических лучей нового поколения.

Все вышеописанное относится к неподвижным черным дырам. Между тем, существуют и вращающиеся дыры, обладающие букетом интереснейших свойств. Результаты теоретического анализа чернодырного излучения привели также к серьезному переосмыслению понятия энтропии, которое также заслуживает отдельного разговора. Об этом — в следующем номере.

Источник: elementy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.