Как устроена черная дыра


Чёрная дыра — удивительное место, ломающее современные физические законы, причём теперь, когда её существование доказано, она является неотъемлемой частью физики. На данном этапе развития, мы уже с полной уверенностью можем сказать, как она выглядит снаружи и предположить её логичное внутреннее строение. Все мы любим пиздатые рендеры, в которых чёрная дыра выглядит как чёрный шар, всасывающий в себя всякую хуету из аккреционного диска, однако посмотрев на неё, вы увидите совсем не такую картину — чёрная дыра прозрачная, да и она особо-то и не сосёт, ведь гравитация до горизонта событий зависит только от массы. И хоть увидеть чёрную дыру из-за её прозрачности мы не можем, однако мы смогли сфотографировать её тень. Но чтобы перейти ко внутреннему строению, давайте поделим чёрные дыры на виды:

  • Чёрная дыра Шварцшильда (не вращается и не имеет заряда)
  • Чёрная дыра Рейснера — Нордстрёма (не вращается, но имеет заряда)
  • Чёрная дыра Керра (вращается, но не имеет заряд)
  • Чёрная дыра Керра — Ньюмена (и вращается, и заряжена)

Эти чёрные дыры расположены в порядке усложнения внутренней структуры. Так, когда у первой дыры есть только сингулярность, горизонт Коши и горизонт событий, то у других добавляется эргосфера и предел статичности. Причём из-за теоремы об отсутствии волос, чёрные дыры определяются только тремя характеристиками: массой, зарядом и вращением, поэтому две любые чёрные дыры с одинаковыми характеристиками будут совершенно неотличимы друг от друга, однако чёрные дыры разных видов будут неебически различны между собой: начиная с форм и видов сингулярности, заканчивая количеством горизонтов событий. Давайте начнём с центра чёрной дыры и будем двигаться ко внешней области.

Сингулярность

Гравитационная сингулярность (есть у невращающихся) — это такая область пространства, которая вертит это самое пространство как хочет, потому что они появляются в Общей теории относительности как точки пространства, имеющие нулевой объём, какую-нибудь массу и бесконечные плотность с кривизной, но они не объясняются этой самой теорией относительности. Сингулярности этого вида если и существуют, то находятся они только в чёрных дырах Шварцшильда. Но это не перестаёт делать сингулярности поистине особенными объектами: в них пространство «рвётся», и частица (да и вообще всё что угодно) просто берёт и тупо перестаёт существовать, создавая информационный парадокс, сингулярность обладает приливные силы, которые приводят к «спагеттификации».
к бы да, есть дохуя всяких теорий решающих эту проблему, как например создание голограммы на горизонте событий, равномерное распределение массы между горизонтом событий и сингулярностью, которая по мере старения чёрной дыры улетучивается или излучение энергии мягкими фотонами, но пока что эти теории имеют очень мало доказательств, так что проблема с этой хуетой пока не закончена и вряд ли сдвинется с мёртвой точки до формирования Квантовой гравитации.

Кольцеобразная сингулярность (есть у вращающихся) — это та же самая гравитационная сингулярность, только она имеет вид не точки, а плоского диска, высота которого равна нулю, а радиус больше нуля, ничем другим на не отличается.

БХЛ-сингулярность (может быть как у вращающихся, так и у невращающихся) — это гипотетическая сингулярность, которая обладает практически всеми теми же свойствами, что и кольцеобразная сингулярность, только она более стабильна и имеет другое строение с механизмом образования, но в ней всё так же пространство «рвётся» и хуй пойми, что происходит с попадающей туда материей. Эта сингулярность имеет приливные силы БХЛ-типа, которые не растягивают объект в сторону сингулярности, как обычные приливные силы, а объект расширяется и сжимается, причём чем ближе к сингулярности, тем сильнее амплитуда, поэтому в какой-то момент, объект разрывается и после бесследно исчезает (либо попадает в 5 измерение, как было в фильме «Интерстеллар»). При создании квантовой гравитации, скорее всего, существование этой сингулярности подтвердится.


Падающая сингулярность — сингулярность, находящаяся у старых вращающихся чёрных дыр. Эта сингулярность крута тем, что она реально может на тебя упасть, и тебе настанет пиздец. Падающая сингулярность образуется из всякой хуеты, которая упала после тебя в черную дыру. Из-за гравитационного замедления времени вся эта хуета будет образовывать слой, который будет деформировать пространство и материю с бесконечной скоростью, а после того, как он достигнет тебя, то он уже тебя будет растягивать с бесконечной скоростью, но растянет тебя лишь в конечной степени, то есть ты будешь похож на баганую расятнутую рэгдолл текстурку.

Вылетающая сингулярность — сингулярность, полостью идентичная предыдущей, но только она, исходя из названия, не падает, а вылетает.

Горизонт Коши

Горизонт Коши (есть у всех чёрных дыр) — это такая область пространства, после которой решения уравнений Эйнштейна идут по пизде, и все эти решения становятся равноправными. Нам не понятно, что дальше будет происходить с объектом, попавшим в дыру, поэтому был сформулирован принцип космической цензуры.

Горизонт событий

Горизонт событий (есть у всех чёрных дыр) — это воображаемая почти идеальная сфера вокруг сингулярности, определяемая радиусом Шварцшильда.


а является «почти идеальной», так как на самом деле он действует как проводящая мембрана, которая из-за гравитационных эффектов может слегка менять свою форму и колебаться. Этот горизонт отделяет нас от сингулярности и это то место, в котором вторая космическая скорость становится равной скорости света. Горизонт событий разделяет 2 области пространства, между которыми нельзя передавать информацию, то есть, попав за горизонт событий, ты туже ничего не сможешь передать тем, кто находится с нашей стороны. На границе горизонта событий происходит излучение Хокинга, и чёрная дыра теряет массу, но это при том, что горизонт никак не выделяется, как область пространства. При его пересечении ты не услышишь никаких свистяще-пердящих звуков, не увидишь каких-то дефектов пространства и не почувствуешь какого-то покалывания у тебя — ничего, просто большую часть твоего обзора начнёт занимать чёрная дыра, и хоть ты вообще ничего не заметишь, однако очень сильно заметит наблюдатель, который будет смотреть на тебя издалека — для него ты не пересечёшь горизонт событий, а достигнув его, будешь краснеть, пока в конечном итоге не исчезнешь (а исчезнешь ты очень быстро, понадобится пара секунд), после чего от тебя ничего не останется в этой Вселенной.

Второй горизонт событий (этот горизонт есть только у вращающихся чёрных дыр) — это такой горизонт событий, который появляется при вращении чёрных дыр и образовании кольцеобразных сингулярностей. Этот горизонт событий ничего особенного чёрной дыре не даёт, кроме того, что он ограничивает её скорость вращения, так как при охуенно большом моменте импульса внутренний и внешний горизонты сравниваются и исчезают, обнажая сингулярность, что недопустимо по космическому принципу.


Эргосфера

Эргосфера – это такой райончик вокруг черной дыры, который находится между горизонтом событий и пределом статичности. В нём все объекты будут двигаться с ускорением за счет эффекта Линзе — Тирринга (то же самое, что и ускорение Кориолиса (приобретение дополнительного ускорение вокруг вращающейся хуевины, которая намного массивнее тебя), только в усложненном виде), однако это всё ещё не горизонт событий и по процессу Пенроуза (когда какая-то хуйня, попавшая в тяготение чёрной дыры, разделяется на куски, один из которых получают больший импульс и энергию, чем изначально, а второй, по закону сохранения импульса, падает в чёрную дыру с отрицательным импульсом и чёрная дыра теряет энергию), можно чутка скинуть жирка и послать чёрную дыру нахуй. Эргосфера — дохуя интересная область, так как и процесс Пенроуза и процесс Блэнфорда — Знаека (грубо говоря, извлечение энергии из чёрной дыры за счёт вращающегося аккреционного диска с магнитным полем) связаны с эргосферой, и они делают так, чтобы чёрная дыра теряла массу.

Предел статичности

Если граница обычных чёрных дыр — это горизонт событий, то у чёрных дыр, как и у Москвы, есть второе анальное колечко — предел статичности — сфера, отделяющая наш мир от эргосферы. Предел статичности, как и горизонт событий, какой-то охуеть важной структурой не является, он просто разграничивает пространство на области: «можно выбраться, двигаясь от чёрной дыры» и «можно выбраться, двигаясь по ходу вращения чёрной дыры».


На этом можно и закончить рассматривать внутреннее устройство, так как фотонная сфера и аккреционный диск не входят во внутреннее строение. Как можно видеть, реальное устройство чёрной дыры намного сложнее, чем считают многие люди, однако все внутренности были выведены путём логических домыслов и подсчётом всяких сложных формул, которые могут быть не до конца верны, поэтому пока мы не можем знать наверняка, что происходит внутри такого экзотического объекта, но с развитием науки, с формулированием квантовой гравитации, более интенсивным изучением этих загадочных объектов человечество сможет узнать, какую хуйню скрывает от нас чёрные дыры.

Спасибо за то, что вы с нами.
С любовью, Рителлинг favorite

Источник: retell.in

Чёрными дырами принято считать области пространства, в которых гравитация настолько сильна, что ни излучение, ни вещество не в состоянии эту область покинуть, — так как для тел, находящихся в поле притяжения этих космических объектов, собственная скорость убегания должна превышать скорость света, что, в принципе, невозможно. Границу области, из-за которой не может прорваться даже свет, называют «горизонтом событий» черной дыры.


Как устроена черная дыра

Американский физик Джон Арчибальд Уиллер только в 1967 году предложил этому космическому объекту, всё поглощающему и ничего не выпускающему, название «чёрная дыра». Ранее использовались такие обозначения, как «коллапсар» или «застывшая звезда».

Поиском чёрных дыр учёные занимаются уже много десятилетий, но поскольку найти «чёрную кошку в тёмной комнате» не так-то просто, приходится ориентироваться на обычные звёзды и другие космические объекты, взаимодействующие с чёрными дырами, — и по их поведению измерять параметры и отслеживать влияние дыр на окружающее космическое пространство.

Изучать же эти объекты в лабораторных условиях невозможно, потому как для создания чёрной дыры тело с массой в миллионы тонн необходимо сжать до размеров атома. Теоретическое изучение, основанное на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, находит многочисленные подтверждения в цифрах и снимках орбитальных телескопов.

Как устроена черная дыра

Расчёты показывают, что достаточной массой для превращения в чёрные дыры обладают лишь звёзды, чья масса превышает три солнечных, поэтому для начала на них и остановимся.
ка звезда молода и активна, она обладает запасом ядерного топлива. Термоядерные реакции превращения водорода в гелий, затем в углерод (и так далее) поддерживают равновесие звезды, поскольку выделяющееся при этом тепло компенсирует энергетические потери, которые мы понимаем как свет и звёздный ветер. Эти же реакции поддерживают высокое давление внутри звезды, не позволяя ей сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Однако проходит несколько миллиардов лет, и в конце звёздной эволюции ядерное топливо начинает истощаться.

В результате её ядро и мантия переживают противоположные процессы: ядро начинает сжиматься, при этом выделяя большое количество тепла, которое нагревает внешнюю оболочку. Звезда теряет свои внешние слои, непомерно расширяющиеся в огненную туманность, разрушающую собственную планетарную систему. Если же речь идёт о сверхновой – то оболочка обычно уничтожается взрывом.

Итак, ядро массивной звезды сжимается и уходит под «горизонт событий», — и если бы мы могли наблюдать за этими метаморфозами в телескоп, то сначала увидели бы, что звезда с увеличивающейся скоростью уменьшается, а свет слабеет и краснеет, что объяснимо потерей фотонами энергии по мере приближения к поверхности гравитационного радиуса, необходимостью преодолевать увеличивающуюся силу тяжести, вследствие чего частицам требуется всё большее количество времени, чтобы добраться до Земли (вернее, было необходимо, — ведь процессы, которые мы наблюдаем, происходилицелую вечность тому назад). Далее мы увидели бы, что сжатие замедляется, и в тот момент, когда оно совсем остановится, визуальное наблюдение новой чёрной дыры становится невозможным.


Как устроена черная дыра

Но если бы мы могли себе это позволить, и заглянуть за «горизонт событий», то обнаружили бы следующую картину: за короткий промежуток времени вещество ядра сжимается в точку, называемую «сингулярностью». В ней достигаются бесконечно большие значения тяготения и плотности. Английский физик Стивен Хоукинг назвал сингулярность «местом, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

Первоначальная звезда могла быть устроена сколь угодно сложно, однако новообразованная чёрная дыра «забывает» всю информацию об исходной модели: форму, химический состав, распределение плотности вещества и др. После сжатия наблюдатель может определить всего три основных параметра: электрический заряд, полную массу и момент импульса, присутствующий в случае, если звезда ранее вращалась.

В последнем случае вокруг черной дыры сохраняется гравитационное поле «вихревого» принципа действия, которое увлекает соседние космические тела во вращательное движение вокруг нее. Это поле получило имя математика Роя Керра, который нашел решение его расчётных уравнений в 1963 году.


Как устроена черная дыра

Эффект поля Керра усиливается по мере приближения к горизонту чёрной дыры, — тоесть возле неё существует определённая зона космического пространства, с одной стороны ограниченная «горизонтом событий» дыры и ведущей к неминуемой гибели всех объектов в недрах сингулярности, а с другой стороны – чертой, за которой эти объекты не притягиваются и остаются неподвижными относительно далёких звёзд. Эта черта называется «пределом статичности».

В радиусе действия поля Керра, или так называемой «эргосфере», объекты могут двигаться только по орбите вокруг нового центра тяготения, причём в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Попав в эргосферу, кванты света или, если уж на то пошло, летательный аппарат всё ещё могут вырваться наружу, унося при этом энергию вращения сверхсистемы, но стационарным космическим телам остаётся скромный удел: водить космический «хоровод» вокруг гиганта и становиться его добычей.

Как устроена черная дыра

Следуя эйнштейновской общей теории относительности, близи чёрных дыр под действием их гравитационного поля искривляется пространство и время (здесь будет применимо пересечение или разбежность параллельных прямых, замедление часов и все прочие ныне доказанные «легенды» учёного). Для того чтобы представить себе, как ведёт себя время около чёрной дыры, сравним его с земным. Несмотря на то, что наша планета – просто пылинка в сравнении с чёрными дырами, земная гравитация влияет на ход времени на поверхности сильнее, чем на орбите — настолько, что в GPS-навигаторы специально вносят поправки на это различие. Чего же тогда ожидать от объектов с такой чудовищным притяжением и массой, как у чёрных дыр?

Здесь напряженность гравитационного поля настолько велика, что любые физические процессы можно описывать лишь при помощи релятивистской (относительной колебаниям нейтрона) теории тяготения. Одним словом, всё это подводит нас к выводу, что чёрная дыра способна искривлять геометрию пространства и времени вокруг себя, и чем ближе – тем сильнее этот эффект, вплоть до того, что лучи света могут двигаться по её окружности.

Как устроена черная дыра

Но неужели любая звезда рано или поздно начинает разрушать то, что создавалось с таким трудом под её светом и теплом? Повторимся: это не так. По оценкам экспертов, при умеренной начальной массе звезды ядро может сжиматься, превратиться в маленький и очень плотный белый карлик, или в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду, которые затем сохранят устойчивость: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и «битва с гравитацией» будет выиграна.

Поэтому для тех, кто твёрдо намерен прожить ещё пять-семь миллиардов лет, это хорошая новость. Правда, наблюдать за солнечным белым карликом придётся из подземного бункера, так как испаряющаяся мантия перед этим расширится, поглотит Меркурий и Венеру, заодно лишив землю воды и практически полностью – атмосферы. Если же масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не в силах остановить ее коллапса, — она уйдёт под горизонт событий и рано или поздно станет новой чёрной дырой.

Согласно расчётам учёных, наша галактика существует двенадцать миллиардов лет, и за это время должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр, основная масса которых предположительно находится в ядре Млечного Пути, где коллапсировали наиболее массивные древние звёзды.

Источник: www.nauka-prosto.ru

Как образуются черные дыры

Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.

Для типичной черной дыры звездной массы (M=10Msun)1 гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·1014 г/см3, то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см3), она равна плотности вещества атомного ядра.

Для черной дыры в ядре галактики (M=1010Msun) гравитационный радиус равен 3·1015  см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца — равна 150 млн. км или 1,5·1013 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10–3 г/см3, что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10–3 г/см3 (!).

Для Земли (M=3·10–6Msun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρкр = 2·1027 г/см3, что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.

Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света = 300000 км/с.

Дальше пресс не понадобится — сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет — «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.

Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством — отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10–13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.

Белые карлики

Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4Msun, термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.

Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.

Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик — объект с радиусом порядка радиуса Земли (~104 км), массой менее 1,4Msun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 1010, то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.

Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4Msun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.

Нейтронные звезды

Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4Msun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.

Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.

Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4Msun, то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4Msun, но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3Msun, то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.

Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.

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.

Источник: elementy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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