Почему мы не видим чёрные дыры?

Такую ситуацию предвидел еще знаменитый французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас. В своей книге  “Изложение систем мира”, которая вышла в свет в 1795 году, он рассуждал так.

Если для того, чтобы оторваться от данного космического объекта, тело должно иметь скорость (первую космическую скорость) не меньше строго определенной величины, которая определяется массой этого объекта, то при слишком большой его массе скорость тела должна превысить скорость света для того, чтобы оторваться от объекта.

Первая космическая скорость на Земле равна 7,2 км/с, на Луне — 2,4, на поверхности Юпитера — уже 61 км/с, а для  Солнца и вовсе достигает 620 км/с.

На нейтронной звезде она должна достигать половины скорости света (150 тысяч километров в секунду). Таким образом, если масса звезды еще больше, то первая космическая скорость может даже превысить скорость света!

Эти рассуждения применимы одинаковым образом и к телам, и к фотонам, то есть свету. Что же произойдет, если масса нашей воображаемой звезды такова, что первая космическая скорость для нее должна быть больше скорости света? Свет от такой звезды просто не сможет “оторваться” от неё. Другими словами свет от объекта, в такой ситуации исходить не может, поскольку его скорость меньше первой космической скорости и не может быть ей равна (скорость света не может быть больше скорости света).

Лаплас рассчитал даже массу такого объекта, вот как он писал в своей книге: “Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения: поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми”.

Так что, казалось бы, объяснение первого и самого экзотического свойства черной дыры было найдено еще за полтора столетия до ее открытия. Но это и так, и не так.

Как “устроена” черная дыра: гравитационный радиус

Если говорить строго, то ситуацию при столь больших силах гравитации надо описывать уравнениями не механики Ньютона, а теории тяготения Эйнштейна.

Поэтому, строго говоря, расчеты Лапласа, основанные на космической механике, неверны, а лучше сказать, неточны. Но, тем не менее, массу и размеры звезды, которая должна сжиматься и превратиться в черную дыру, он указал правильно. Это случилось потому, что в данном случае в теории тяготения Эйнштейна справедлива та же формула, что и в теории Ньютона.

На самом же деле, все свойства черных дыр могут быть получены только из теории тяготения Эйнштейна, которая содержится в его обшей теории относительности. Что же происходит при сильном сжатии звезды, если следовать теории относительности Эйнштейна?

При сжатии звезды (при этом масса звезды остается прежней) ее радиус уменьшается, а сила тяготения увеличивается. Это естественно. Что же произойдет, если радиус этой звезды (теоретически) станет равным нулю? Учитывая, что масса звезды при этом никуда не делась, сила тяготения такой звезды должна стать бесконечно большой.

Схема устройства черной дыры

Это следует из теории тяготения Ньютона. По теории А. Эйнштейна сила притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиус уменьшится до нуля. То есть она нарастает с уменьшением радиуса быстрее, чем по теории Ньютона. Тот радиус, при достижении которого сила тяготения стремится к бесконечности, принято называть гравитационным радиусом. Подчеркнем еще раз, что по классическим представлениям,он равен нулю.

Чем меньше масса тела, тем меньше его гравитационный радиус. Например, для нашей Земли он равен 1 сантиметру, для Солнца он равен 3 километрам. Различия между классической теорией и теорией относительности проявляются тогда, когда истинный радиус звезды близок к гравитационному радиусу. Пока различие между ними большое, нет необходимости привлекать теорию тяготения А. Эйнштейна, а можно спокойно пользоваться классическими уравнениями Ньютона, как это и делал П. Лаплас.

Теория относительности А. Эйнштейна устанавливает взаимоотношения между силами гравитации, течением времени и геометрическими свойствами пространства. Из нее следует, что в сильном гравитационном поле время замедляется относительно тех мест, где силы гравитации малы. Например, вблизи Земли время течет на одну миллиардную часть медленнее, чем в далеком космосе.

Ясно, почему мы этого не замечаем. Даже вблизи массивных звезд это замедление времени неощутимо. Оно сразу дает о себе знать только тогда, когда масса звезды очень велика, а радиус очень мал, то есть при приближении к гравитационному радиусу.

С силами гравитации связано не только время, но и пространство. В соответствии с теорией относительности, пространство также искривляется в гравитационном поле. Чем больше это поле, тем сильнее искривление.

Приводится даже такое сравнение: представьте себе тончайшую резиновую пленку натянутую в пространстве так, что образуется идеальная плоскость. А теперь, мысленно опустите на неё металлический шар (нашу черную дыру) – пленка немедленно прогнется под весом шара. Абсолютно также происходит искривление пространства под действием гравитационного поля массивной черной дыры.

Надо сказать, что как замедление времени, так и искривление пространства вблизи сильных полей гравитации были измерены. В теории относительности существовавшие до этого по отдельности понятия абсолютного времени и абсолютного пространства объединены в одно понятие “пространство — время”, поскольку они взаимосвязаны через поле гравитации.

Значение гравитационного радиуса было рассчитано по уравнениям теории тяготения Эйнштейна спустя месяц после опубликования теории в 1915 году немецким астрономом и математиком Карлом Шварцшильдом (радиус Шварцшильда).

Пока силы гравитации сжимают звезду и ее радиус больше радиуса Шварцшильда, силам гравитации противодействуют силы внутреннего давления звезды. Эти силы неспособны противостоять сжимающей звезду силе гравитации в том случае, если ее радиус уменьшится до гравитационного радиуса. Произойдет сжатие вещества звезды, которое физики назвали релятивистским коллапсом. Собственно, и черные дыры длительное время назывались коллапсами и только в конце шестидесятых годов с легкой руки американского физика Д. Уилера их стали называть именно черными дырами.

Напрашивается вывод, что если каким-либо образом сжать звезду или планету до размеров ее гравитационного радиуса, то дальше усилия можно не прилагать — она сколлапсирует сама и превратится в черную дыру. И требуется для этого в сущности не так много — сжать, например, Солнце до радиуса в 3 километра.

Границей черной дыры является сфера с радиусом Шварцшильда. Чем ближе к этой границе приближается излучающее тело, тем большее влияние на него оказывают силы гравитации. И не только на него, но и на излучение. Фотоны, составляющие это излучение, уменьшают свою энергию под действием силы гравитации черной дыры. Часть их энергии уходит на противоборство с этой силой. Уменьшение энергии фотона означает уменьшение его частоты.

Другими словами, частота излучения смещается в сторону красного края спектра видимого излучения. Говорят, что излучение “краснеет”. Если бы фотонам кто-то добавлял энергию, то излучение бы “голубело”.

Радиоисточник Лебедь Х-1 – черная дыра существование которой зафиксировано визуально. Юмор ситуации в том, что самой черной дыры на снимке не видно (её ведь нельзя увидеть), а яркое свечение плотно “сбитого” притяжением черной дыры газа, указывает нам область до её горизонта событий

Покраснение излучения, как мы уже знаем, происходит и в результате действия эффекта Доплера. Только рассматриваемое здесь красное смещение, в отличие от доплеровского, называют гравитационным. Оно обусловлено замедлением времени вблизи черной дыры под действием сил гравитации.

Очень важно уловить смысл происходящего: приближающаяся к черной дыре звезда излучает такие же (белые) фотоны, что и на большом удалении от черной дыры, но удаленный наблюдатель увидит их покрасневшими, так как при движении к нему они замедляются, то есть уменьшают свою энергию.

Когда звезда приблизится к границе черной дыры, далекий наблюдатель вообще перестанет ее видеть. Для него время здесь практически останавливается. Звезда для далекого наблюдателя потухает за стотысячную долю секунды. Мы упоминаем далекого наблюдателя не случайно. Часы наблюдателя, который находится на движущейся звезде, никакого замедления времени не отметят. Его нет. Оно есть только у удаленного наблюдателя, который получает всю информацию о ходе времени с помощью света, а свет его подводит, поскольку скорость фотонов замедляется, и они приходят позже обычного (когда на них не действует гравитация черной дыры).

Черная дыра изменяет не только траекторию движущейся вблизи нее частицы, но и ее скорость. Вблизи черной дыры частица будет двигаться быстрее. Если она попадает на удаление гравитационного радиуса, то она должна двигаться со скоростью света. Ясно, что ближе частица двигаться по кругу не может, так как для этого ей надо превысить скорость света.

Но движение тела вокруг дыры на расстояниях ближе чем три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтому оно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению движения и частица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или же улетает в направлении от дыры.

Если тело движется вблизи черной дыры, то оно может быть ею захвачено, однако не обязательно “захвачено” значит “поглощено”. Двигаясь мимо черной дыры, это тело может “обернуться” вокруг дыры несколько раз и снова улететь в космическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близко к окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам черной дыры.

Что если ближе? Тогда это тело уже никуда от черной дыры не денется, она уже захвачено гравитацией. “Падение” в черную дыру для него теперь только вопрос времени.

Эргосфера и горизонт событий черной дыры

Движущееся вокруг черной дыры тело излучает гравитационные волны, впрочем это понятно итак – ведь все небесные тела при движении излучают гравитационные волны. Разница в том, что если тело движется вокруг черной дыры, то излученные им за это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию (в шесть раз больше, чем при ядерном синтезе, когда в энергию превращается только один процент массы вещества).

Движение фотонов около черной дыры также подчинено строгим закономерностям. Они могут подступиться к дыре не ближе чем на полтора гравитационных радиуса, причем фотоны, как и “материальные” тела, будут захвачены черной дырой, если подойдут к ней очень близко (ближе полутора гравитационных радиусов). Луч света в этом случае будет “навиваться” (как на клубок) на черную дыру, если его траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил еще ближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру и исчезнет для стороннего наблюдателя.

При удалении излучения от черной дыры происходит его покраснение, при приближении фотонов к дыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдатель должен заметить поголубение света. Но для этого фотоны должны подойти очень близко к сфере Шварцщильда.

Многочисленные теоретические исследования различных аспектов проблемы черных дыр позволили установить, что определяющей (и пожалуй, даже единственной) характеристикой черных дыр является их масса. В чем-то другом отличия в них нет. Можно сказать, что черные дыры с одинаковой массой являются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то было показано, что они должны быть идеально сферическими. Любое отклонение от сферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения.

Кстати, черные дыры сбрасывают также все возможные поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения, а также сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им до этого обладала). Кроме массы и электрического заряда черные дыры, вообще-то, характеризуются и характером их вращения.

Ведь вращение определенным образом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокруг нее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационное поле целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трех параметров звезды: ее радиуса, массы и скорости вращения на экваторе). Из-за вращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дыры несколько расширяется, она выходит за пределы сферы Шварцшильда. Сферу Шварцшильда принято называть горизонтом событий (за ним для стороннего наблюдателя нет вообще ничего). Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечно большой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названа границей эргосферы.

Ее принципиальное отличие от горизонта событий состоит в том, что из-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зоне между горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательное движение (если они не двигались первоначально против него), но могут с течением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно за пределы эргосферы.

Таким образом, вращение черной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является ее горизонт событий, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большая скорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальная линейная скорость равна скорости света.

Можно сказать, что черные дыры не представляют собой небесные тела в общепринятом смысле. Они не являются и излучением. Это действительно дыры во времени и пространстве, которые образуются в результате того, что в сильно увеличивающемся гравитационном поле очень сильно искривляется пространство и изменяется характер течения времени.

Схематичное искажение “ткани пространства” под воздействием гравитации черной дыры. Учитывая, что весь наш мир это непрерывное пространство материи, в «дыре» образовавшейся в этом пространстве, очевидно не должны действовать и привычным нам законы физики

Как обнаружить черную дыру, если её… не видно?

Возникает естественный вопрос: как обнаружить черную дыру? Теоретики предположили, как им казалось, много таких возможностей, но на их проверку труд был напрасным. На сегодняшний день реализовалась одна из этих возможностей. Суть ее состоит в том, что черную дыру следует искать в двойных звездных системах.

Черная дыра должна выдать себя по рентгеновскому излучению, которое должно неизбежно возникать при падении газа из атмосферы “нормальной” звезды в неё. Этот газ должен закручиваться за счет движения звезд по орбите и одновременно сплющиваться в диск под действием центробежных и гравитационных сил.

Экспериментаторы остановили свое внимание на такой двойной системе, расположенной в созвездии Лебедя. Этот источник назван Лебедь Х-1 (здесь X от названия рентгеновских, то есть Х-лучей).

Двойная звездная система Лебедь Х-1 состоит из нормальной видимой массивной звезды, масса которой в 20 раз больше массы Солнца. Парная ей звезда имеет массу, равную десяти массам Солнца. Именно из ее окрестностей исходит рентгеновское излучение.

Обе эти звезды как единое целое обращаются вокруг центра масс с периодом 5,6 суток. Процесс протекает так. Газ из атмосферы звезды-гиганта притягивается черной дырой. Орбитальным движением дыры его траектории закручиваются вокруг нее. Траектория газа представляет собой сходящуюся к центру черной дыры спираль. Движение газа к центру дыры происходит намного медленнее, чем вокруг нее. Поэтому достижение газом черной дыры по такой неэкономичной орбите происходит только через месяц.

Достигнув края черной дыры, газ “сваливается” в черную дыру и “исчезает”, но пока газ движется по направлению к ней, он сильно нагревается. Это происходит в результате трения относительно холодных наружных слоев диска (температура газа здесь всего несколько десятков тысяч градусов) с горячими внутренними его частями, где температура газа достигает десяти миллионов градусов.

Этот-то газ и светит в рентгеновских лучах очень интенсивно, в тысячи раз сильнее, чем Солнце (во всех диапазонах спектра). То рентгеновское излучение, которое регистрируют приборы на Земле, происходит из очень тонкого слоя (буквально 200 километров), расположенного во внутренней части диска.

Рентгеновское излучение от источника Лебедь Х-1 изменяется очень быстро, но хаотически. Его интенсивность меняется за тысячные доли секунды. Это может происходить только в том случае, если излучающий объект является очень малым, как черная дыра. Если бы вместо звезды, которую мы принимаем за черную дыру, была большая по размерам звезда, то такие быстрые изменения ее яркости в рентгеновских лучах были бы непонятны.

Таким образом, имеется почти полная уверенность, что невидимая звезда в созвездии Лебедь под номером Х-1 является черной дырой. Но “почти” все же остается. Астрофизики не торопятся с ним расставаться, поскольку вопрос слишком серьезный, чтобы можно было позволить себе ошибиться.

Открыто еще несколько источников рентгеновского излучения, которые по своим свойствам подобны описанному выше. А вообще-то, считается, что во Вселенной имеется много миллионов черных дыр, а возможно, число их исчисляется даже миллиардами.

Ещё одна достаточно неплохая попытка изобразит черную дыру: саму «дыру» мы не видим, но видим во-первых собранную ей массу материи, а во-вторых – искажение светового излучения происходящие под действием гравитации черной дыры

Может ли черная дыра исчезнуть или самоуничтожится?

Теперь перейдем к вопросу о том, в каких процессах могут исчезать черные дыры. Теоретически считают, что они могут исчезать в результате определенных квантовых процессов, которые возможны только в сильном гравитационном поле. После того как из данного объекта мы убрали абсолютно все частицы и удалили любые возможные кванты, можно считать, что там имеется физический вакуум.

Физический вакуум отличается от пустоты тем, что он имеет потенциальную возможность рождать виртуальные частицы и античастицы, которые из этого объема убрать никакими средствами невозможно. Это значит, что пустоты как таковой вообще нет. Чтобы виртуальные частицы могли превратиться в реальные частицы, им надо сообщить энергию. Но эта энергия должна быть привнесена извне. Надо сказать, что виртуальные частицы живут в замкнутом цикле: на миг появляются частица и античастица и тут же сливаются и исчезают. В вакууме таких частиц множество.

Это установлено прямыми измерениями. Энергию к виртуальным частицам, необходимую им для того, чтобы они превратились в настоящие частицы, может передать любое поле, в том числе электромагнитное. Но таким полем может быть и гравитационное поле, что для нашего рассмотрения очень важно. Среди виртуальных частиц имеются и виртуальные фотоны, то есть частицы (кванты) электромагнитного поля.

Сильное гравитационное поле приводит к превращению их в истинные, реальные фотоны. Точнее, изменение гравитационного поля во времени приводит к рождению фотонов, частота которых однозначно связана с частотой колебаний гравитационного поля. Чтобы эффект был заметен, он должен протекать в сильном гравитационном поле. Попутно скажем, что электроны и позитроны рождаются из физического вакуума под действием очень сильного электрического поля.

Из сказанного выше ясно, что в окрестности черных дыр, где имеются очень сильные изменяющиеся во времени гравитационные поля, могут рождаться частицы и античастицы. При этом может оказаться, что частица остается под горизонтом событий (т.е. в пределах черной дыры), а античастица окажется снаружи относительно горизонта. Эти частицы окажутся разлученными навечно. Свободная античастица уносит с собой часть энергии черной дыры.

Установлено, что температура черной дыры обратно пропорционально зависит от ее размеров. Уходящие от черной дыры частицы уносят часть ее энергии (а значит, и массы). Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно. Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс испарения дыры. Так этот процесс будет только ускоряться со временем.

При таких условиях, неминуемо настанет момент когда масса черной дыры уменьшится до тысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование черная дыра.