Черные дыры в рамках общей теории относительности

     Тем не менее, вполне возможно, что недостающие  черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть  их. Тем временем ученые из NASA планируют  расширить диапазон поиска скрытых  черных дыр еще дальше во Вселенную. Именно там находится подводная  часть айсберга, считают они. В  течение нескольких месяцев исследования будут проводиться в рамках миссии «Свифт». Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено  для фонового излучения и пролить  свет на их активность в раннюю эпоху  Вселенной.

     Гравитационные  монстры, называемые супермассивными черными дырами,  обладают огромным «аппетитом». Все больше увеличивая свою массу, они уже поглотили окружающее их вещество на «сумму» в миллионы Солнц, но еще не насытились, продолжая свое формирование дальше. В постоянное “меню” черной дыры входят: газ, пыль, планеты и звезды, но иногда приверженцы коллапса позволяют себе полакомиться и «деликатесами». На «десерт» черные дыры предпочитают компактные массивные объекты, например, черные дыры звездной массы, нейтронные звезды и белые карлики, ненароком попавшие в поле тяготения сверхмассивного объекта. Именно эти объекты издают самые «громкие крики» во Вселенную в рентгеновском и Ƴ-диапазоне, когда черная дыра «лакомится» ими. Казалось бы, достаточно вывести на орбиту космический телескоп с детекторами гамма-лучей и начать успешные поиски гамма-всплесков от черных дыр, переписав, таким образом, все подобные объекты. Для этих целей в конце 2002 года на орбиту и был выведен спутник «Интеграл»  космического агентства ESA, способный просматривать небо в гамма-диапазоне. Но и здесь Вселенная заставляет ученых пробираться сквозь тернии.

     Поскольку все небо заполнено фоновым гамма-излучением, это мешает находить слабые гамма-всплески от очень далеких источников, занижая, таким образом, действительное количество черных дыр, что сказывается на правильности космологических теорий. Чтобы обойти это препятствие, международная  группа, включающая российских ученых Евгения Чуразова и Рашида Сюняева из Института космических исследований, предложила откалибровать приборы «Интеграла» с учетом уровня фонового гамма-излучения. Для этого они решили направить приемники излучения «Интеграла» в сторону Земли, которая «своим телом» закрыла бы общий фон неба. Данное мероприятие было весьма рискованным по причине яркости Земли для устройств «Интеграла», работающих в оптическом диапазоне. Оптика космический обсерватории могла «ослепнуть», т.к. она настроена на далекий космос, который на несколько порядков слабее, чем близкая планета. Но ученые провели эксперимент без «потерь», и риск был оправдан. Используя естественный щит от излучений, астрономы замерили уровень приходящего излучения и сравнили полученные записи наблюдений с более ранними. Это позволило найти «нулевую» точку излучений, от которой теперь будет вестись отсчет при анализе новых полученных данных. Таким образом, исключая общий гамма-фон, исследователи смогут более точно выявлять местонахождение черных дыр, уточняя их количество и распределение в пространстве. До запуска «Интеграла» в гамма-диапазоне удалось пронаблюдать всего несколько десятков объектов. К настоящему времени, при помощи этого космического телескопа удалось найти 300 отдельных источников в нашей Галактике и около 100 самых «ярких» черных дыр в других галактиках. Но это только вершина айсберга. Астрономы уверены, что существуют десятки миллионов черных дыр, излучение от которых сливается с фоновым. Все их должен будет обнаружить «Интеграл», что позволит навести идеальный порядок в космологических теориях.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Формирование  черных дыр

     Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной  звезды. Пока в недрах звезды не истощился  запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в  гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных  звезд). Выделяющееся при этом тепло  компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием  собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.

     Наиболее  быстро сжимается ядро звезды, при  этом оно сильно разогревается (его  гравитационная энергия переходит  в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты  показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с  гравитацией»: его сжатие будет остановлено  давлением вырожденного вещества, и  звезда превратится в белого карлика  или нейтронную звезду. Но если масса  ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его  катастрофический коллапс, и оно  быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

     Астрономические наблюдения хорошо согласуются с  этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие  свойства черных дыр (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования  нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же черные дыры очень большой массы (от миллионов  до миллиардов масс Солнца) могут находиться в ядрах крупных галактик, в  том числе и нашей. Об этом свидетельствуют  астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны.

     Если  в нашу эпоху высокая плотность  вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных  звезд, то в далеком прошлом, сразу  после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные черные дыры» с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 1012 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона).

     Предполагается, что в результате ядерных реакций  могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые  чёрные дыры. Для математического  описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса порядка 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу. Однако даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным. В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

     Наконец, существует гипотетическая возможность  рождения микроскопических черных дыр  при взаимных соударениях быстрых  элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн – одной  из конкурирующих сейчас физических теорий строения материи. Теория струн  предсказывает, что пространство имеет  более трех измерений. Гравитация, в  отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому  существенно усиливаться на коротких расстояниях. При мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они  могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти  мгновенно разрушится («испарится»), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать  все существующие в природе виды частиц. Если гипотеза теории струн  верна, то рождение таких черных дыр  может происходить при столкновениях  энергичных частиц космических лучей  с атомами земной атмосферы, а  также в наиболее мощных ускорителях элементарных частиц.

6. Свойства черных дыр

     Итак, черные дыры существуют и представляют собой чрезвычайно сжатую область  пространства-времени (для простоты – сверхплотный шар), которую не способно покинуть никакое излучение. Следует отметить, что благодаря  необычности черных дыр средства массовой информации спекулируют на их свойстве поглощать окружающее вещество. Пройдя около Земли, черная дыра вполне может своим тяготением изменить форму Земли и начать затягивать ее вещество внутрь себя. Но подобное событие  крайне маловероятно, тем более, как  было сказано, ближайшие из них находятся  на расстоянии в несколько тысяч  световых лет. Поэтому даже если допустить, что черная дыра вдруг направится к Земле, то достичь она сможет ее только через несколько тысяч  лет, и это при том, что двигаться она будет со скоростью света. При этом должно соблюдаться условие точной направленности к Земле, что на таком расстоянии теряет всякий смысл. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что гибель от черной дыры человечеству не грозит.

     Но  что произойдет с наблюдателем, если он вдруг окажется по ту сторону  гравитационного радиуса, иначе  именуемого горизонтом событий? Здесь  начинаются самые удивительные свойства черных дыр.

     Не  зря я постоянно упоминала  время, а точнее, пространство-время, говоря о черных дырах. По теории относительности  Эйнштейна, чем быстрее движется тело, тем больше становится его  масса и тем медленнее начинает идти время. На малых скоростях в  нормальных условиях этот эффект незаметен, но если тело (та же ракета) движется со скоростью, близкой к скорости света, то масса его увеличивается, а  время замедляется. При скорости тела, равной скорости света, масса  обращается в бесконечность, а время  останавливается. Об этом говорят строгие  математические формулы. Представим себе фантастическую ситуацию, когда звездолет  с космонавтами на борту приближается к гравитационному радиусу или  горизонту событий. Понятно, что  горизонт событий назван так потому, что мы может наблюдать какие-либо события (и вообще что-либо) только до этой границы. То, что находится за границей, наблюдаться нами не может. Тем не менее, находясь внутри корабля, приближающегося к черной дыре, космонавты будут чувствовать себя так же, как и раньше, так как  по их часам время будет идти «нормально». Космический корабль спокойно пересечет  горизонт событий  и будет двигаться  дальше, но поскольку скорость его  будет близка к скорости света, центра черной дыры космический корабль  достигнет буквально за миг.

     Но  самое необычное заключается  в том, что для внешнего наблюдателя  космический корабль просто остановится  на горизонте событий  и будет  находиться там практически вечно. Таков парадокс колоссального тяготения  черных дыр.

     Закономерен вопрос – а останутся ли живы космонавты, уходящие в бесконечность по часам внешнего наблюдателя? Нет. И дело вовсе не в громадном тяготении, а в приливных силах, которые у столь малого и массивного тела сильно меняются на малых расстояниях. При росте космонавта 170 см приливные силы у его головы будут гораздо меньше, чем у ног. Его просто разорвет уже на горизонте событий. 

      Если  бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент ее превращения  в черную дыру, то сначала было бы видно, как звезда все быстрее  и быстрее сжимается, но по мере приближения  ее поверхности к гравитационному  радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При  этом приходящий от звезды свет будет  слабеть и краснеть, пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию, и им требуется все больше времени, чтобы дойти до нас. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.

     Расчет  идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время  вещество под горизонтом событий  сжимается в точку, где достигаются  бесконечно большие значения плотности  и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический  коллапс приводит к сингулярности. Однако, все это верно лишь в  том случае, если общая теория относительности  применима вплоть до очень малых  пространственных масштабов, в чем  пока нет уверенности. В микромире  действуют квантовые законы, а  квантовая теория гравитации еще  не создана. Ясно, что квантовые эффекты  не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить  появление сингулярности они  могли бы.  

     В рамках теории Эйнштейна свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот  некоторые из них:

1. Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.
2. Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».

В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую  долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные  с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических  условиях заряженная черная дыра будет  притягивать к себе из межзвездной  среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса.