Модель черной дыры


Как известно, первую физико-математическую теорию гравитации сформулировал в 1687 году Исаак Ньютон. Введённый им закон всемирного тяготения описывал, как тела взаимодействуют друг с другом, но не объяснял природу этого взаимодействия. Сам учёный признавал ограниченность своей теории, написав буквально следующее: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений; гипотез же я не измышляю».

Тем не менее из закона Ньютона при желании можно вывести необычные следствия. Например, весьма экзотическую гипотезу высказал в 1784 году английский естествоиспытатель и теолог Джон Мичелл. В письме к Королевскому обществу, которое в то время было влиятельнейшей научной организацией мира, он приводил расчёт «тёмного солнца» — звезды с силой притяжения, не позволяющей её свету вырваться вовне. Оказалось, что для превращения в подобный объект наше Солнце должно быть в пятьсот раз больше. Далее Мичелл предположил: поскольку массивных звёзд в космосе достаточно, среди них должны быть и «тёмные», но, по понятным причинам, увидеть их мы не можем. Позднее французский математик Пьер-Симон Лаплас популяризировал идею Мичелла, включив её в свой фундаментальный труд «Изложение системы мира» (Exposition du Système du Monde, 1796).


Хотя у ньютоновской теории гравитации были оппоненты, со временем она стала общепринятой, поскольку подтверждалась наблюдениями и точнейшими измерениями. Доработать и расширить её потребовалось в начале ХХ века, когда выяснилось, что она не работает, если тело движется с релятивистскими (то есть сопоставимыми со скоростью света) скоростями. К концу 1915 года Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, получившую название общей теории относительности (ОТО). Он предположил, что действие гравитации не связано ни с какими неведомыми силами или частицами, а обусловлено геометрическими свойствами самогó пространственно-временного континуума: любая масса искривляет его, создавая вокруг себя своего рода «воронку», а движение тел относительно друг друга обусловлено только формой и глубиной этих «воронок».

Концепция Эйнштейна казалась настолько революционной, что научный мир не сразу её принял. Одним из доказательств в пользу ОТО могло бы стать обнаружение «замороженных звёзд» — сферических сверхмассивных областей пространства, которые при помощи уравнений Эйнштейна описал Карл Шварцшильд. В отличие от идеи Мичелла, в новой модели до нуля замедлялась не скорость света, но само течение времени. Шварцшильд ввёл понятие гравитационного радиуса, определяющего размер, необходимый для «замерзания» звезды.


Радиус Шварцшильда можно рассчитать для любого тела: например, для Солнца он составляет 3 км, для Земли — около 9 мм. Если б существовала физическая возможность сжать наше светило или планету до указанных размеров без мгновенного взрыва с переходом материи в энергию, то они превратились бы в «замороженные», а течение времени на их поверхности сразу остановилось бы. С другой стороны, если масса исходного объекта значительна, то незачем сжимать его до предельно малых размеров: скажем, «замороженная звезда» массой в миллиард солнечных будет иметь плотность воды.

В начале 1930-х годов молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар исследовал строение звёзд. Он теоретически показал, что, в зависимости от начальной массы, они эволюционируют по-разному. Если масса звезды меньше 1,4 солнечных, то, сжигая по мере старения своё ядерное топливо, она сбросит оболочку и превратится в белого карлика. Если масса звезды больше этой условной границы, которую позднее назвали «пределом Чандрасекара», то после сброса оболочки она будет сжиматься в нейтронную звезду.

Другие физики, среди которых были Фриц Цвикки и Лев Ландау, в серии работ показали, что нейтронные звёзды образуются в результате взрыва сверхновых, но не всегда: самые массивные из них переходят в иное состояние.

Но какое? В 1939 году Роберт Оппенгеймер (один из будущих создателей американской атомной бомбы) и Хартланд Снайдер на упрощённой математической модели показали, что звезда при коллапсе стягивается к радиусу Шварцшильда и даже преодолевает его! Вывод выглядел столь фантастическим, что учёные в то время не осмелились сделать следующий шаг и заявить: «замороженные звёзды» действительно существуют.


Дальнейшие исследования и расчёты тем не менее показали: ничего невероятного в этом нет. Массивные звёзды во всех случаях превращаются в «замороженные», сила тяготения вблизи которых стремится к бесконечности, а время останавливается. И, главное, таких объектов во Вселенной должно быть очень много, ведь её эволюция началась не вчера. Теперь астрономам предстояло подтвердить или опровергнуть теоретические выкладки.

Постепенно определилась и терминология. Установлено, что первым в начале 1960-х годов «замороженную звезду» стал называть «чёрной дырой» американец Роберт Дик, в своих лекциях сравнивавший этот гипотетический объект с легендарной «Калькуттской чёрной дырой» — маленькой тюремной камерой форта Уильям, где в июне 1756 года погибли десятки пленных англичан.

Новый термин понравился прежде всего журналистам: с 1963 года он стал постоянно появляться на страницах журналов Life и Science News. В студенческой среде новое название прижилось после того, как в январе 1964 года Энн Юинг выступила на конференции Американской ассоциации содействия науке с докладом «Чёрные дыры в космосе». Несмотря на это, авторство термина ошибочно приписывают американскому физику Джону Уилеру, который употреблял его в своих лекциях начиная с декабря 1967 года.

Разумеется, чёрными дырами заинтересовались и фантасты. Необычный космический объект, гравитация которого столь велика, что останавливает время, будоражил воображение. В романе «Шпага Рианнона» (1949), ныне считающемся классикой, знаменитая Ли Брэкетт описала «пузырь тьмы», через который персонаж отправляется в прошлое Марса:


Этот пузырь с пульсирующей чернотой — до чего он похож на черноту тех густо-чёрных пятен, находящихся далеко-далеко на краю Галактики, которые некоторые учёные считают отверстиями в саму бесконечность, окнами в бесконечное «вне» нашей Вселенной.

С тех пор чёрные дыры стали всё чаще появляться на страницах фантастических книг и журналов. Их рассматривали прежде всего как угрозу звездолётам будущего или как «место заключения» невероятно древних и могущественных существ. Впрочем, начиная с первой половины 1970-х годов чёрные дыры в фантастике стали всё больше походить на те описания, что давали физики.

Учёные довольно быстро определились со структурой чёрных дыр, которую удалось описать с помощью ОТО. В рамках этой теории чёрная дыра описывается не как вещество или энергия, а как мощное гравитационное поле, сконцентрированное в чудовищно искривлённой области пространственно-временного континуума. Её внешняя граница представляет собой замкнутую поверхность, которая получила название «горизонт событий»; если перед коллапсом звезда не вращалась, то радиус этой границы совпадает с радиусом Шварцшильда.


Снаружи чёрная дыра ведёт себя как обычный космический объект, только очень и очень тяжёлый. Если мы пошлём в её сторону зонд, что будет передавать световые сигналы через равные промежутки времени, то при его приближении к «горизонту событий» заметим, что интервалы между сигналами увеличиваются, поскольку время на борту замедляется. Длина световой волны, испускаемой зондом, будет стремительно расти, и вскоре сигнал превратится в радиоволны, а потом — в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые почти невозможно.

Как только зонд пересечёт «горизонт», информация с борта поступать перестанет. При этом аппарат повлияет на чёрную дыру, передав ей свою массу, электрический заряд и момент вращения. Внутри дыры зонд начнёт падать к её центру — сингулярности, которая для неподвижной дыры представляет собой точку, а для вращающейся — кольцо; поперечник сингулярности не может превышать длину Планка-Уилера, равную 1,62×10−33 см. С точки зрения внешнего наблюдателя, зонд будет падать в центр дыры вечно, однако в действительности его разорвут растущие приливные силы. Этот процесс называют «спагеттификацией»: объект резко растягивается по вертикали и сжимается по горизонтали.

Описанная модель просуществовала недолго. В 1965 году американец Эзра Ньюман, используя ОТО в модификации новозеландца Роя Керра, описал вариант вращающейся чёрной дыры с мощным электрическим зарядом. Оказывается, в таком случае дыра будет окружена эргосферой, которую можно покинуть, не свалившись в сингулярность. Более того, из дальнейших расчётов следовало, что сингулярность такой дыры будет работать как «червоточина» — тоннель в другие вселенные или даже другие эпохи. Разумеется, столь богатой идеей почти сразу воспользовались фантасты: например, способ транспортировки через чёрные дыры описан в романе Джо Холдемана «Бесконечная война» (1974).


Интересные последствия имела и попытка применить к чёрным дырам квантовую механику. Её предпринял в 1975 году знаменитый физик Стивен Хокинг. Флуктуации вакуума непрерывно порождают пары виртуальных частиц (частицу и античастицу), которые при обычных условиях тут же «погибают». Однако если такая пара материализуется на «горизонте событий», то одна частица провалится к сингулярности, а другая при благоприятных условиях вылетит наружу. В результате дыра превращается в источник излучения, которое назвали «испарением Хокинга». Из его выкладок также следовало то, что могут существовать короткоживущие дыры микронных размеров: во время испарения они должны выделять колоссальное количество энергии.

Идеи Хокинга, которые он активно продвигал в своих научно-популярных работах, быстро перекочевали и в фантастику: скажем, микроскопические дыры используют для производства энергии персонажи романа Джона Варли «Горячая линия Офиути» (1977).

За десятилетия учёные описали множество теоретических моделей чёрных дыр, и определить, какие из них верны, можно только с помощью астрономических наблюдений. Поскольку увидеть дыры невозможно, приходится прибегать к косвенным методам.


Например, если рядом с чёрной дырой находится большая звезда, то дыра втягивает в себя вещество этой звезды (процесс называется аккрецией). При этом вокруг дыры за счёт вращательного момента формируется аккреционный диск, газ в котором разгоняется до релятивистских скоростей и нагревается так, что начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Соответственно, диск и саму чёрную дыру можно обнаружить рентгеновским телескопом. К сожалению, этим методом трудно отличить дыры от нейтронных звёзд. Необходимо разглядеть важное отличие: газ, падающий на твёрдую поверхность, продолжает интенсивно излучать, а приближающийся к «горизонту событий» быстро меркнет.

Именно такой эффект был обнаружен при наблюдении за рентгеновским источником Лебедь X-1 (Cygnus X-1), открытым в 1964 году. Он находится в 6070 световых годах от нас и представляет собой двойную систему, состоящую из голубого сверхгиганта HDE 226868 и чёрной дыры с массой 14,8 солнечных и радиусом «горизонта событий» около 300 км. Материя в аккреционном диске нагревается до миллионов градусов, генерируя рентгеновские лучи.

При этом из диска бьют две перпендикулярные струи, уносящие часть набегающего материала в межзвёздное пространство. Интересно, что в декабре 1974 года двойной объект Лебедь X-1 стал предметом дружественного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном: Хокинг сделал ставку на то, что чёрной дыры там нет. Он признал проигрыш в 1990 году, когда многочисленные наблюдения подтвердили точку зрения его коллеги. Торн в награду получил годовую подписку на журнал Penthouse.


Модели показывают, что чёрные дыры могут сталкиваться и сливаться друг с другом. В результате образуются объекты массой в миллионы и миллиарды солнечных. Сегодня астрофизики полагают, что подобные тела находятся в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Наша центральная сверхмассивная чёрная дыра Sagittarius A* расположена в созвездии Стрельца, на расстоянии около 26 тысяч световых лет. Странное название объекта — это шутка учёных: обнаруживший чёрную дыру астроном Роберт Браун заявил, что открытие его «очень взбудоражило», а звёздочками в квантовой физике обозначают «возбуждённые состояния» атомов.

Много шума наделало апрельское сообщение группы учёных из проекта Event Horizon Telescope, объединяющего мощности восьми радиотелескопов в разных районах земного шара. Они заявили, что впервые в истории получили прямое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры. Эта дыра находится в центре галактики М 87 (Messier 87), расположенной в созвездии Девы на расстоянии 53,5 миллионов световых лет от нас. На то, чтобы обработать астрономические данные и подготовить на их основе исторический снимок, ушло два года. Это достижение подтвердило: модель чёрных дыр, построенная на основе ОТО, ближе всего к действительности. Увы, но оно же поставило крест на гипотезе о «червоточинах» — попасть через чёрные дыры в другие пространства или эпохи невозможно в принципе.


На фоне последних открытий некоторые космологи, отчаявшись после многолетних попыток описать вселенную с помощью квантовых теорий, и вовсе стали выдвигать чёрные дыры на роль загадочной «тёмной материи», которая составляет большую часть массы вселенной. Более того, из этой гипотезы астронома Ника Горькавого следует, что вся наша вселенная расположена внутри чёрной дыры, а в её центре находится не сингулярность, а самое обычное пространство. Правда это или нет, пока неизвестно: посмотрим, что покажут данные.

Впрочем, непосредственное изучение чёрных дыр ещё только начинается. И никто сегодня не может сказать, куда заведёт науку желание заглянуть в «пузырь тьмы»…

Источник: www.MirF.ru

МОСКВА, 26 окт – РИА Новости. Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) продемонстрировали, что предложенная ими модель образования первичных черных дыр в виде кластеров-скоплений не противоречит полученным новым наблюдениям, связанным с гравитационными волнами. Результаты опубликованы в журнале Physical Review D.Известно, что любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны, однако гравитация – очень слабое взаимодействие, поэтому амплитуда этих волн чрезвычайно мала.Существование гравитационных волн было предсказано около века назад, но из-за крайней слабости предсказанных эффектов ученым долгое время не удавалось ни подтвердить, ни опровергнуть их существование.Наконец, 14 сентября 2015 года коллаборации LIGO и VIRGO экспериментально доказали существование гравитационных волн.
о открытие в 2017 году было отмечено Нобелевской премией по физике.За последние шесть лет исследователи получили новые сигналы прохождения гравитационных волн через Землю. Они начали использовать полученные данные в качестве источника информации о процессах в ранней Вселенной по зависимости амплитуды полученного сигнала от времени, рассказал профессор Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Сергей Рубин.Одна из таких моделей описывает образование массивных первичных черных дыр в результате коллапса замкнутых поверхностей, характеризующихся повышенной плотностью энергии. Сразу после рождения такие поверхности совершают хаотические движения, подобно флагу на ветру. Согласно идее выпускника НИЯУ МИФИ Александра Сахарова, эти поверхности должны испускать гравитационные волны. Если их спектр совпадает с наблюдаемым на Земле, то модель образования первичных черных дыр, предложенная учеными НИЯУ МИФИ, получит подтверждение.По словам Сергея Рубина, эта идея оказалась правильной. В статье, опубликованной в высокорейтинговом научном журнале, было показано, что такая модель образования первичных черных дыр не противоречит наблюдениям за гравитационными волнами. Тем не менее, тщательная и длительная проверка модели необходима.В основе модели лежат современные экспериментальные данные, указывающие на существование так называемых первичных черных дыр, которые образовались столь рано, что их появление трудно объяснить стандартным образом. Дело в том, что на формирование массивной черной дыры нужен как минимум миллиард лет. Вселенная родилась 13,8 миллиардов лет назад, и получается, что самой древней черной дыре должно быть не меньше миллиарда лет от «рождения Вселенной». Однако обнаружены черные дыры, которые сформировались через 700 миллионов лет после образования Вселенной, причем они очень массивны, это миллиарды солнечных масс.Идея и модель образования черных дыр в результате коллапса замкнутых полевых поверхностей были предложены два десятилетия назад Рубиным, Сахаровым и Хлоповым. Эта модель продолжает развиваться группой НИЯУ МИФИ под научным руководством Сергея Рубина.»Представим, что Вселенная заполнена гипотетическим полем. Его потенциальная энергия (потенциал) зависит от величины этого поля. Никто не знает форму этого потенциала. Но, если предположить, что он имеет два минимума, то может оказаться, что за счет флуктуаций ранней расширяющейся Вселенной в некоторой части пространства поле перепрыгнет через «холмик-максимум» и скатится в минимум. Как известно, вся энергия стремится к минимуму при наличии трения. То есть, основное пространство стремится к одному минимуму, а в маленькой области – оно же стремится к другому. И вот эта маленькая область окружена замкнутой поверхностью, которая способна превратиться в черную дыру”, – прокомментировал Сергей Рубин.В отличие от многих других моделей формирования первичных черных дыр, вариант, предложенный в НИЯУ МИФИ, предполагает, что черные дыры образуются кластерами (скоплениями). Расчеты показали, что если в одной пространственной области существует вероятность перескочить через «холмик-максимум», то и в соседних областях эта вероятность довольно велика.Ученым предстоит большая работа по дальнейшей проработке модели: определению температуры и химического состава в области, окружающей замкнутую поверхность, размера такой области, числа черных дыр и их массы. Идея Александра Сахарова по излучению гравитационных волн замкнутой поверхностью оказалась полезной.По их словам, необходимо также проработать предположение о том, что образование таких замкнутых стенок связано с существованием дополнительных пространственных измерений.

Источник: ria.ru

 

 

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ

Модель внутренней структуры черных дыр

      Аннотация

В данной работе сделано предположение, что черные дыры имеют конечный объем, конечную плотность и необычайно высокую скорость вращения. В соответствии с этим предположением в первом приближении рассчитана средняя плотность черных дыр разных масс. Расчеты были выполнены при условии, что черная дыра имеет форму шара с радиусом Шварцшильда. Показано, что в сверхмассивных черных дырах массой более 100 миллионов солнечных масс вещество может быть в обычном газообразном состоянии той или иной степени сжатия. Пределом сжатия является агрегатное состояние жидкости. Но в черных дырах массой менее 100 миллионов солнечных масс вещество может быть только в агрегатном состоянии плазмы той или иной степени сжатия. Пределом сжатия является агрегатное состояние нейтронной жидкости или ядерной материи. В этом случае минимальная черная дыра имеет массу около 8 солнечных масс. Если газообразный или плазменный объект имеет конечную плотность и объем, то должен иметь форму и подчиняться законам гидродинамики. А по законам гидродинамики естественной формой быстровращающегося гидродинамического вещества является тороидальное кольцо. Предложена модель черной дыры, испускающей один джет. Показаны два возможных способа формирования черной дыры в форме тороидального кольца. Показан физический принцип, с помощью которого джет извергается из внутреннего отверстия тороидального кольца. Предложена модель черной дыры с аккреционным диском и двумя извергаемыми джетами. Показаны два возможных способа формирования такой черной дыры.  Предложена модель черной дыры с извергаемым плоским диском и с двумя симметричными втягиваемыми воронками.  Показан возможный способ формирования такой черной дыры.

Современные представления о ядрах активных галактик

Астрофизики пришли к выводу, что в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов  солнечных масс [1].  Первую такую черную дыру в соседней галактике Туманность Андромеды, массой 140 миллионов солнечных масс, обнаружил американский ученый Алан Дресслер [2]. Для поиска сверхмассивных черных дыр в дальних галактиках с 1994 года астрофизики стали использовать оптический телескоп “Хаббл”. И в каждой из исследуемых галактик, без исключения, они обнаруживали сверхмассивную черную дыру. В том числе и в нашей галактике находится черная дыра массой около 4 миллионов солнечных масс. Все галактики можно условно разделить на два типа: активные галактики и пассивные галактики. Абсолютное большинство галактик (99%) являются пассивными. Активные галактики отличаются тем, что их компактные ядра излучают такое большое количество электромагнитной энергии, что это невозможно объяснить высокой плотностью звезд.  Сферическое мощное излучение из активного галактического ядра имеет другое правдоподобное логическое объяснение. Вещество, падающее на сверхмассивную черную дыру, движется по спиральной траектории. По закону сохранения момента вращения, при уменьшении расстояния  увеличивается линейная скорость движения. Если в тысячи раз уменьшается расстояние, то в тысячи раз увеличивается линейная скорость вещества, которая вблизи черной дыры может достигать значительных величин. При этом вещество накапливается в непосредственной близости от черной дыры в аккреционном диске. В огромном гравитационном поле черной дыры даже самые близкие частицы вещества имеют разную силу притяжения. Соответственно, любые соседние слои аккреционного диска должны двигаться  с заметно отличающейся скоростью. Поэтому между каждыми соседними слоями должно возникать значительное трение, приводящее к сильному разогреву вещества аккреционного диска до очень высоких температур. В результате трения  вещество ионизируется и превращается в плазму. Мало того, в непосредственной близости от черной дыры слои аккреционного диска вращаются уже с околосветовой скоростью. А при трении слоев с такой скоростью движения  должны осуществляться массовые термоядерные реакции.

НЛО это плазменные формы разумной жизни, живущие в условиях …

Рисунок 1. Изображение радиогалактики 3C348 с двумя джетами

Активные галактики, ядра которых испускают высокоскоростные плазменные струи, вызывают особый интерес. Таких галактик немного, всего 10% активных галактик. Вдоль оси вращения аккреционного диска, перпендикулярно ему, из ядра бьют мощные струи плазмы с огромными околосветовыми скоростями. Это супермощные ускорители заряженных частиц галактических масштабов!  Джеты имеют спиральное воронкообразное строение с малым углом раскрытия – всего несколько градусов. Диаметр  джета у самого основания не превышает нескольких парсек. А длина джетов может простираться до миллиона световых лет. Темп звездообразования на краях джетов составляет несколько сотен солнечных масс в год. Это на два порядка выше, чем средний темп звездообразования в пассивных  галактиках!  Чаще всего на изображениях активных галактических ядер видны два симметричных джета.  Но в 40%   случаев следов второго джета   не обнаруживается. Считается, что в таких галактиках второй джет закрыт аккреционным диском. Но для некоторых галактик такое объяснение неприемлемо.  Ярким примером галактики с одним джетом является радиогалактика M87.

Модель черной дыры

Рисунок 2. Изображение радиогалактики M87 с одним джетом

Не существует правдоподобного объяснения причин возникновения джетов. Лишь предполагается, что в формировании  джетов кроме гравитационного поля еще участвует и магнитное поле, созданное аккреционным диском [3]. Это магнитное поле каким-то образом фокусирует в узкий пучок плазму, разогнанную до околосветовых скоростей в нижней части аккреционного диска [4]. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом и пылью, излучая электромагнитные волны. Однако пока никому не удалось теоретически построить конфигурацию магнитного поля, способного сформировать джеты.  К тому же, выяснилось, что джеты могут формировать молодые звезды, нейтронные звезды [5]. Следовательно, должен существовать единый механизм формирования джетов, одинаково присущий черным дырам и звездам.

Расчет средней плотности черных дыр разных масс

В данной работе предполагается, что джеты формируются непосредственно внутри черной дыры, а не снаружи в аккреционном диске. Предлагается модель формирования джетов, основанная на допущении того, что черные дыры имеют конечный объем, конечную плотность и необычайно высокую скорость вращения. В первом приближении, это сферическая область пространства с радиусом Шварцшильда:

r_s = frac{2Gm}{c^2}     или   r_s = m times 1.48 times 10^{-27}

G – гравитационная постоянная, m – масса черной дыры, c – скорость света.

Для сверхмассивной черной дыры в ядре галактики M87, массой 6,6 миллиарда солнечных масс, радиус Шварцшильда  Rs=19,43 миллиарда километров, а средняя плотность p=0,427 кг в одном кубическом метре. Это почти в три раза меньше плотности воздуха у поверхности Земли. То есть, вещество внутри такой сверхмассивной черной дыры может находиться в одном из обычных агрегатных состояний в виде газа. Интересный получается вывод: сверхмассивная черная дыра в центре галактики может возникнуть не в результате чудовищного сжатия материи, а в результате простого накопления большого количества газа и пыли в определенном объеме. Такое происходит при обычном процессе гравитационного сжатия газового облака галактических масштабов. Для сверхмассивной черной дыры массой 100 миллионов солнечных масс радиус Шварцшильда  Rs=294 миллиона километров, а средняя плотность p=1868 килограмм в одном кубическом метре. Это агрегатное состояние жидкого или твердого вещества, предел сжатия газа. 

Для сверхмассивной черной дыры в ядре нашей Галактики,  массой 4,3 миллиона солнечных масс, радиус Шварцшильда  Rs=12,69 миллиона километров, а средняя плотность p=1000 тонн в одном кубическом метре. Это агрегатное состояние сжатой плазмы.  Такой плотности простым сжатием газового облака уже достичь невозможно. Зато можно достичь сжатием плазмы, которая образуется при трении соседних слоев в аккреционном  диске.

Вокруг сверхмассивной черной дыры в нашей Галактике вращается несколько тысяч мелких черных дыр и одна средняя черная дыра массой около 10 тысяч солнечных масс. Для такой черной дыры радиус Шварцшильда  Rs=29,5 тысяч километров, а средняя плотность p=185 миллионов тонн в одном кубическом метре. Это очень сжатая плазма, плотность которой всего лишь на 6 порядков меньше предельной плотности плазмы – ядерной плотности вещества. Плотность сжатой плазмы не может превышать ядерной плотности сверхтяжелых ядер — 280 триллионов тонн в одном кубическом метре. Тогда по формуле Шварцшильда можно вычислить минимальную массу  черной дыры сферической формы в агрегатном состоянии плазмы – 8,1 солнечных масс.

Способы формирования черной дыры в форме тороидального кольца

Выше было предположено, что черная дыра имеет  конечный объем и конечную среднюю плотность. Расчеты показали, что агрегатным состоянием вещества любой такой черной дыры   является газ или плазма. В любом случае, это гидродинамическое вещество, которое  должно подчиняться гидродинамическим законам и иметь определенную форму. Возможны, как минимум, два способа формирования черных дыр.

Модель черной дыры

Рисунок 3. Формирование тороидального кольца из сфероида

Первым способом является  гравитационное сжатие старых звезд. Таким способом могут формироваться только малые черные дыры с  массой не более 150 солнечных масс. Любая звезда вращается вокруг собственной оси. При гравитационном сжатии старых остывающих  звезд уменьшаются размеры звезды при неизменной массе. По закону сохранения момента вращения  при уменьшении в миллионы раз радиуса в миллионы раз увеличивается скорость вращения. При этом должна меняться форма звезды от шара до сильно сжатого сфероида с изменением эксцентриситета от 0 до 0,93.  Сфероид становится неустойчивым при дальнейшем увеличении скорости вращения. Он должен превратиться либо в диск, либо в плоское кольцо в соответствии с теорией фигур равновесия небесных тел, созданной Ляпуновым [6]. Возможен и третий вариант трансформации, который Ляпунов пропустил. Вещество звезды не является твердым, поэтому должно подчиняться гидродинамическим законам. А по законам гидродинамики плоский вихрь легко может превратиться в тороидальное кольцо. При определенной степени сжатия такое тороидальное кольцо может стать черной дырой.

Более массивные черные дыры  либо могут вырасти из черных дыр малой массы, либо сформироваться по второму способу методом простого накопления большого количества газа и пыли в определенном объеме. Но процесс гравитационного сжатия газового облака должен сопровождаться  возникновением вращения. А по гидродинамическим законам естественной формой быстровращающегося гидродинамического вещества является  тороидальное кольцо. Именно такую внутреннюю структуру может иметь и сверхмассивная черная дыра.

Принцип формирования джета тороидальным кольцом

По определению, гравитационная сила должна крепко удерживать вещество на  поверхности черной дыры в форме сфероида. Но форма тороидального кольца является исключением.  Здесь поверхность вращается одновременно в двух перпендикулярных направлениях. Одно направление – это вращение вокруг линейной оси симметрии, как в сфероиде. Другое направление – это вращение вокруг кольцевой оси симметрии, проходящей в центре тела кольца. Здесь в основном взаимодействуют  три силы. Гравитационная сила стремится сжать тело кольца. Ей противодействует сила сопротивления сжатию, вызванная наличием внутреннего давления газа или плазмы. Сжатию противодействует и центробежная сила, вызванная наличием вращения поверхности кольца. Силу сопротивления сжатию и центробежную силу можно назвать разжимающими силами. При балансе между гравитационной сжимающей силой и разжимающими силами гравитационное кольцо должно сохранять свои размеры. В любой точке внешней поверхности тороидального кольца гравитационная сила имеет одинаковую амплитуду Fg (если пренебречь искажением формы кольца).

Модель черной дыры

Рисунок 4. Тороидальное кольцо

Совсем другая ситуация в самом центре внутреннего отверстия. В этом месте притяжение к тороидальному кольцу одинаково по всем направлениям в плоскости симметрии кольца. Поэтому суммарная гравитационная сила равна нулю.

Модель черной дыры

Рисунок 5. Структура черной дыры с одним джетом

Равновесие смещается при удалении от центра вдоль плоскости симметрии кольца. Гравитационная сила становится больше нуля.  Но на поверхности во внутреннем отверстии тороидального кольца она все еще намного меньше Fg, действующей на внешней поверхности. Здесь существует гравитационный минимум из-за воздействия приливных сил от противоположной стенки отверстия. Здесь возникает нарушение баланса сил. Разжимающие силы становятся больше гравитационной силы.  Благодаря чему материя с поверхности внутреннего отверстия кольца выбрасывается к линейной оси симметрии кольца, где гравитационная сила равна нулю. Это единственное место, где гравитационная сила не способна удержать вещество черной дыры. Во внутреннем отверстии кольца поверхность движется только в одном направлении вдоль линейной  оси симметрии. Поэтому выбрасываемая материя закручивается и извергается в виде струи в этом же направлении. Формируется односторонний джет. Нужно заметить, что процесс извержения джета может происходить даже в том случае, когда тороидальное кольцо формально перестает быть черной дырой. Сторону тороидального вихря, из которой выбрасывается джет, можно назвать исходящим полюсом. Соответственно, противоположную сторону можно назвать входящим полюсом. Вещество, поглощаемое черной дырой, должно предварительно накапливаться перед входящим полюсом в виде вихревой воронки. Так как плотность межзвездного газа очень низка, то извергаемый пучок плазмы двигается с незначительным торможением в одном направлении на громадные расстояния. Если количество извергаемой материи меньше количества  поглощаемой материи, то  черная дыра увеличивается в размерах. Но если количество извергаемой материи больше количества  поглощаемой материи, то  черная дыра должна уменьшаться в размерах.  Тороидальное кольцо способно непрерывно извергать плазму в виде джета, пока существует баланс между гравитационной сжимающей силой и разжимающими силами. В результате действия центробежной силы менее энергичные частицы тонут внутри тела тороидального кольца, а наиболее энергичные частицы вплывают к поверхности. Поэтому процесс извержения джета является аналогом физического процесса испарения жидкости.   Испаряются самые энергичные частицы, в результате чего снижается средняя скорость движения частиц жидкости. И в тороидальном кольце с поверхности должны срываться только самые энергичные частицы. Соответственно, должна снижаться скорость вращения поверхности тороидального кольца. Соответственно, гравитационная сила начнет превышать разжимающие  силы.  Но в этом случае начинается процесс гравитационного сжатия с уменьшением радиуса вращения. По закону сохранения момента вращения, при уменьшении радиуса увеличивается скорость вращения. Опять увеличивается центробежная сила до восстановления баланса сил. Процесс извержения джета будет происходить непрерывно, пока не произойдет разрушение тороидального кольца с возвращением формы сжатого сфероида. Причиной разрушения может быть значительная потеря  вращения в процессе испарения самых энергичных частиц.

Модель черной дыры

Рисунок 6. Выполнение закона сохранения импульса

Необходимо заметить, что по закону сохранения момента вращения черная дыра не должна изменять ориентацию в пространстве. А по закону сохранения импульса, тороидальное кольцо должно двигаться в направлении, противоположном направлению движения вещества джета. Это равносильно, что кольцо имеет собственный реактивный двигатель. Оно будет непрерывно ускоряться все время, пока извергается джет.

Модель черной дыры с двумя извергаемыми джетами

Выше была рассмотрена модель внутренней структуры черной дыры, способной извергать один джет. Но в большинстве случаев активные черные дыры извергают не один, а два симметричных джета. Модель внутренней структуры черной дыры, способной формировать два джета, представлена на рисунке ниже.

Модель черной дыры

Рисунок 7. Структура черной дыры с двумя джетами (разрез)

Это два тороидальных кольца, соединенные друг с другом входящими полюсами. Каждое кольцо в таком тандеме способно извергать джет точно так же, как и одиночное тороидальное кольцо. Так как джеты извергаются симметрично в противоположных направлениях, то по закону сохранения импульса черная дыра должна оставаться в покое. А по закону сохранения момента вращения черная дыра не должна изменять ориентацию в пространстве. Материя, поглощаемая такой сверхмассивной черной дырой, предварительно накапливается в аккреционном диске. Материя, извергаемая из черной дыры в виде джетов, должна непрерывно двигаться в пространстве прямолинейно, пока существует ламинарное течение. Разрушение ламинарного потока  должно сопровождаться образованием турбулентных завихрений, которые формируют  газовые  облака.

Модель черной дыры

Рисунок 8. Внешнее окружение черной дыры с исходящими полюсами

Как же могла бы сформироваться подобная двухторовая структура черной дыры? Можно предложить два способа формирования. Первый способ —  сближение двух тороидальных плазменных вихрей под действием гравитационных сил. Например, сверхмассивные черные дыры с одним джетом могут сближаться во время слияния двух галактик. А случаев сближения галактик астрофизиками зафиксировано немало. 

Модель черной дыры

Рисунок 9. Гравитационное сжатие с формированием двух торов

Второй способ – гравитационный провал экватора сфероида еще задолго до потери им устойчивости при превышении эксцентриситетом величины 0,93. В районе экватора сфероидального вихря гравитационный потенциал имеет максимум. Поэтому при гравитационном сжатии в процессе остывания звезды область экватора начинает сжиматься быстрее. Экваториальная масса проваливается к оси симметрии и разделяет сфероидальный вихрь пополам. Далее она продолжает движение по инерции вдоль оси симметрии к полюсам и закручивается в тороидальное вращение в каждой половинке.

Модель черной дыры с извергаемым плоским диском

Совершенно противоположные процессы при потере устойчивости сжатого сфероида могут происходить при наличии вокруг сфероида массивного аккреционного кольца. С одной стороны, аккреционное кольцо должно ускорять потерю устойчивости сжатого сфероида. С помощью приливных сил кольцо должно оттягивать к себе материю с экватора сжатого сфероида.

Модель черной дыры

Рисунок 10. Разрушение сфероида с массивным аккреционным диском.

С другой стороны, аккреционное кольцо должно препятствовать  процессу растекания сжатого сфероида в форму плоского диска. Благодаря  чему материя с экватора, оттянутая приливными силами,  должна растекаться в сторону полюсов сжатого сфероида. Что, в свою очередь, должно инициировать начало тороидального вращения в обеих половинках от экватора. В результате опять возникает  объект из пары тороидальных колец. Возможность существования такой комбинации тороидальных колец была показана в опыте Шабанова и Шубина [7]. Такой объект может стать черной дырой при соответствующей степени сжатия. Только свойства такого объекта кардинальным образом отличаются от ранее рассмотренного  объекта с внешними исходящими полюсами.  Внешние полюса теперь являются входящими. Объект  всасывает в себя окружающую материю  с двух противоположных сторон именно через отверстия этих полюсов. Так как выходные отверстия обоих тороидальных колец направлены навстречу друг другу, то данный объект может  извергать материю только в виде тонкого плоского диска в плоскости соединения тороидальных колец. Этот процесс не дает сформироваться аккреционному диску. Так как вещество из черной дыры извергается симметрично во всех направлениях, то по закону сохранения импульса черная дыра должна оставаться в покое. А по закону сохранения момента вращения черная дыра не должна изменять ориентацию в пространстве.  Входящие внешние полюса  втягивают окружающий газ в любом случае, каким бы разреженным он не был. А так как тороидальные кольца имеют кольцевое вращение, то газ должен закручиваться подобно водовороту. Следовательно, объект с внешними входящими полюсами должен формировать две симметричные газовые вихревые воронки. Именно в этих воронках и накапливается вся материя, окружающая черную  дыру.

Модель черной дыры

Рисунок 11. Внешнее окружение черной дыры с входящими полюсами

Материя, извергаемая в виде плоского диска, будет непрерывно двигаться прямолинейно в пространстве до тех пор, пока ламинарное течение не разрушится. Разрушение может происходить двумя путями. В первом случае ламинарный поток превращается в турбулентный поток с образованием газопылевых облаков. Во втором случае ламинарный плоский поток может превратиться во вторичную пару тороидальных газопылевых колец. Если черная дыра сверхмассивная, то на окончании плоского ламинарного потока на далеких окраинах старой галактики должно начаться интенсивное звездообразование с формированием новой кольцеобразной галактики. Совокупность старой галактики и новой галактики выглядит как галактика с полярным кольцом. Как бы не вращалась исходная старая  галактика, новая галактика в любом случае будет вращаться в ортогональной плоскости. Довольно длительное время старая галактика и новая галактика сосуществуют. Но с течением времени новая галактика увеличивается в размерах, а старая галактика постепенно чахнет вплоть до полного исчезновения. При полном исчезновении старой галактики будет наблюдаться только одна новая кольцеобразная галактика.

Модель черной дыры

Рисунок 12. Изображение кольцеобразной галактики

В такой модели сверхмассивная черная дыра является машиной для переноса материи – она пожирает материю старой галактики и выбрасывает ее в новую галактику.

 

Владимир Яковлев, [email protected] , http://logicphysic.narod.ru , май 2015 года

 

 

 

Литература

 

  1. Shapiro S, Teukolsky S Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars (New York: Wiley, 1983)
  2. Dressler, Alan Michael (1994) Voyage To The Great Attractor: Exploring Intergalactic Space Knopf, New York, ISBN 0-394-58899-1  
  3. Novikov I D, Frolov V P Physics of Black Holes (Dordrecht: Kluwer Acad., 1989)
  4. Бескин В.С. Магнитогидродинамические модели астрофизических струйных выбросов // УФН. — 2010. — Т. 180. — С. 1241—1278.
  5. Сурдин В.Г. Рождение звезд (М.: УРСС, 2001)
  6. Холшевников К.В. О фигурах равновесия небесных тел (к 150-летию А.М.Ляпунова) // Компьютерные инструменты в образовании. №2, 2008 г.
  7. С Шабанов, В. Шубин О вихревых кольцах, «КВАНТ», №11,1979 г., Стр. 17-21

Источник: logicphysic.narod.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.