ВВЕДЕНИЕ

     В данной работе автор рассказывает  об открытиях в астрофизике  последнего времени – о черных  дырах. Большинство людей, конечно,  слышали или читали о них.  О черных дырах часто говорят  в передачах по телевидению,  по радио, пишут в газетах,  в журналах и книгах разного жанра – от научных монографий до художественной и даже детской литературы. Откуда такая популярность?

     Дело в том, что черные дыры  – объекты совершенно удивительные  по своим свойствам. Они обладают  настолько сильным гравитационным полем, что в них задерживается даже свет, и только они способны искривлять пространство и тормозить время. Интересно и то, что внутри черной дыры, за краем своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы. И, наконец, черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Возможно, именно они в будущем станут источниками энергии для человечества.

     Черные дыры – это таинственные, загадочные, необычные космические объекты, а чем таинственней загадка, чем глубже проблема, тем больший интерес она вызывает и у специалистов, и у всех интересующихся наукой. А. Эйнштейн, создатель общей теории относительности, писал: «Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, — это ощущение таинственности». А у черных дыр вряд ли найдутся конкуренты по части их загадочности.

     Работа предназначена для тех,  кто интересуется проблемами  астрофизики и для тех, кому  будет интересно узнать о новых  открытиях в изучении черных дыр. В работе рассказывается предыстория черных дыр, говорится об их возникновении и типах, а также кратко об их обнаружении и описании самых известных черных дыр. Конечно, при этом не ставится цель рассказать все и исчерпать вопрос. Такая цель была бы невыполнима для реферата.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР 

     Предысторию открытия черных  дыр необходимо начать со времен  И. Ньютона, открывшего, в 1666 г., закон всемирного тяготения, а  четко сформулировать этот закон  Ньютон смог, когда занялся астрономией. Ведь сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела вращаются вокруг других. Астроном утверждал: «Тяготение универсально», т.е. всемирно¹. И сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. Все другие виды физического взаимодействия связаны с конкретными свойствами материи. Поле тяготения действует на все: на легкие и тяжелые частицы, и даже на свет. А то, что свет притягивается массивными телами, предполагал еще И. Ньютон. И с этого факта, с понимания того, что свет также подчинен силам тяготения, и начинается история черных дыр, история предсказаний их поразительных свойств.

     Первый, кто сделал подобное предсказание, был английский священник и  теолог, один из основателей научной  сейсмологии, Джон Митчелл. В 1783 г. он изложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу, указывая на то, что «достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет, втянут обратно ее гравитационным притяжением²». Но, как часто бывало в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным. Доклад Митчелла был найден в «Философских трудах Лондонского Королевского общества» только лишь в 1984 г., поэтому долгое время приоритет отдавался знаменитому французскому математику и астроному Пьеру Симону Лапласу. Именно он, через несколько лет, после Митчелла пришел к похожим выводам и опубликовал их в своей книге, вышедшей в 1795 г., «Изложение системы мира». Идея Лапласа звучала следующим образом: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми»¹.

     В книге не приводилось доказательств  этого утверждения. Оно было  опубликовано им несколько лет  спустя.

     Используя теорию тяготения Ньютона, Лаплас рассчитал величину на поверхности звезды, сегодня мы ее называем второй космической скоростью, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство.

     Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет! А если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество, с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.²

     Таким образом, становиться, понятен  вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, звезда должна быть с веществом  той же плотности, что и Земля,  а диаметром в 27 тыс. раз  больше земного. Тогда, вторая  космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тыс. раз больше, чем на поверхности Земли, и примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой, т.к. не сможет выпускать свет.

     Но предвидение П. Лапласа еще  не было настоящим предсказанием черной дыры. Лаплас еще не знал, что это не только «черная», но и «дыра», в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Дело в том, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А. Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. И теперь мы знаем, что если из какой-то области пространства не может выйти свет, то, значит, и вообще ничто не может выйти, и такой объект мы называем черной дырой.

     Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гравитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона. А для таких полей теория тяготения Ньютона неприменима. Поэтому в 1905-1916 гг. немецкий физик А. Эйнштейн разработал новую теорию, справедливую для сверхсилы, а также для быстроменяющихся полей (для которых ньютоновская теория также неприменима), и назвал ее общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользоваться для доказательства возможности существования черных дыр и для изучения их свойств.

     Для того, чтобы понять удивительные  свойства черных дыр необходимо  сказать кратко о некоторых следствиях общей теории относительности Эйнштейна.

     Теория относительности неразрывно  связала геометрические свойства  пространства и течение времени  с силами гравитации. Эти связи  сложны и многообразны. Можно  отметить два важных обстоятельства.

     Во-первых, согласно теории Эйнштейна  время в сильном поле тяготения  течет медленней, чем время,  измеряемое вдали от тяготеющих  масс (где гравитация слаба). О  том, что время может течь  по-разному, довольно трудно представить.  Согласно интуитивным представлениям человека время – это длительность, то общее, что присуще всем процессам. А в действительности, как доказал А. Эйнштейн, никакого абсолютного времени нет. Течение времени зависит от движения и, что сейчас для нас особенно важно, от поля тяготения. В сильном поле тяготения все процессы, абсолютно все, будучи самой разной природы, замедляются для стороннего наблюдателя.  Это и значит, что время – то есть то общее, что присуще всем процессам, замедляется.

Второй  важный вывод теории Эйнштейна состоит в том, что «пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения»¹. Можно сказать, что в сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства, Евклидова геометрия, столь нам привычная, оказывается уже несправедливой. Конечно, представление об искривлении самого пространства так же трудносовместимо с укоренившимися интуитивными представлениями человека, как и представление о разном течении времени.

     Наконец, можно сделать еще одно замечание о выводах теории относительности. Ее автор показал, что свойства пространства и времени, не только могут меняться, но что пространство и время объединяются вместе в единое целое – четырехмерное «пространство время». Искривляется именно это единое многообразие. Конечно, наглядные представления в такой четырехмерной сверхгеометрии еще более трудны и автор на них останавливаться не будет.

         Вернемся к полю тяготения  вокруг сферической массы. Так  как геометрия в сильном поле тяготения неэвклидова, искривленная, то необходимо немного по другому подходить к радиусу окружности. В сверхплотных звездах с сильным полем тяготения разница в «радиусах», определенных разными способами, может быть весьма заметной. Более того, в ряде случаев, достигнуть центра тяготения принципиально невозможно, поэтому радиусом окружности будет длина, деленная на 2π.

     Рассматриваемое поле тяготения  вокруг сферического не вращающегося  тела получило название сферы  Шварцшильда, по имени немецкого астронома, одного из творцов современной теоретической астрофизики, который сразу же после создания Эйнштейном теории относительности решил ее уравнения для «точечного» сферически симметричного тела. Из решения следует, что сила притяжения возрастает до бесконечности при радиусе, стремящемся к радиусу Шварцшильда Rg, называемом также гравитационным радиусом. Для Солнца гравитационный радиус Rg = 3 км, а соответствующая плотность                ρ = 2·1016 г/см³ (это превышает плотность атомного ядра ρ = 2·1014 г/см³).¹

     Он с помощью изящного математического  анализа решил задачу для сферического  тела и переслал ее А. Эйнштейну  для передачи Берлинской академии. Решение поразило А. Эйнштейна,  так как сам он к тому  времени получил лишь приближенное  решение, справедливое только в слабом поле тяготения. Решение же Карла Шварцшильда было точным, то есть справедливым и для сколь угодно сильного поля тяготения вокруг сферической массы; в этом было его важное значение. Но ни А. Эйнштейн, ни сам К. Шварцшильд тогда еще не знали, что в этом решении содержится нечто гораздо большее. В нем, как выяснилось позже, содержится описание черной дыры.²

     Итак, вывод П. Лапласа о том, что свет не может уйти от компактной тяготеющей массы, подтвердился теорией тяготения Эйнштейна, согласно которой вторая космическая скорость должна быть равна скорости света как раз на гравитационном радиусе. А К. Шварцшильд решил очень важное уравнение теории относительности А. Эйнштейна, для «точечного» сферически симметричного тела, что оказалось, в дальнейшем, ни просто уравнением, а описанием черной дыры.  
 
 
 
 

ГЛАВА 2.  ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР 

     Само название «черная дыра»  было придумано американским  физиком Д. Уиллером и опубликовано  в популярной статье в 1968 г.  Оно мгновенно прижилось, заменив  собой использовавшиеся до того  термины «коллапсар»,  «застывшая звезда» или «темная звезда».

      Черная дыра – это область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом черной дыры.¹

     Чтобы действительно понять, что  представляют собой черные дыры, необходимо начать с их возникновения, а для этого надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезд.

     Звездные объекты в своей эволюции  проходят три качественно различные  стадии: протозвезды – звезды – постзвезды².

     Все начинается со сжимающихся облаков вещества. Когда сжимающееся облако становиться непрозрачным для своего инфракрасного излучения, его излучательность резко уменьшится, что приводит к несколько медленному, но продолжающемуся сжатию. Одновременно большая часть освобождающейся в результате сжатия потенциальной энергии идет на нагрев облака. В этот период облако становится настоящей протозвездой (до-звездой).

      В течение своего развития, которое  длится десятки миллионов лет,  протозвезда начинает увеличиваться  по плотности, а температура  повышается до уровня, достаточного  для протекания термоядерных  реакций в ее центральных областях.

     С началом протекания термоядерных  реакций заканчивается период  протозвезды и наступает период  рождения и активной жизни  звезды. В активный период, который длится миллиарды лет, звезда излучает энергию за счет термоядерных реакций, протекающих в ее недрах. С образованием звезды прекращается процесс сжатия, так как устанавливается равновесие между тепловым давлением вещества звезды и гравитационным давлением, которое стремится сжать звезду. Наступает период медленной эволюции, постепенного выгорания ядерного горючего.