Оритан:Чёрные дыры

Материал из Викисфера
Перейти к навигации Перейти к поиску

Есть ли в природе абсолют злодейства? Как абсолютный температурный ноль, символ окончательного покоя и смерти, когда нет даже самого микроскопического движения. Абсолют совершенного злодейства — это чёрная дыра. Любые катаклизмы по сравнению с ней невинны, помыслы всех маньяков во Вселенной — детская забава. Чёрная дыра на своем пути без разбора пожирает все объекты, не давая возможности испустить даже прощальный сигнал бедствия.

Звездная судьбина[править | править код]

Rouge-black-hole.jpg

Предположение о том, что наше Солнце, имеющее радиус 700 тысяч км, может сжаться до размеров футбольного мяча, выглядит нелепым. Но именно это происходит со звездой, которая превращается в чёрную дыру. Ее гравитационное поле оказывается настолько чудовищным, что согласно общей теории относительности его не может преодолеть не только самое быстрое физическое тело — даже световой луч. Чёрная дыра — это область, откуда не может вырваться ничто. Чёрная дыра абсолютно невидима и абсолютно ненасытна. Расчеты знаменитого Стивена Хокинга показывают, что чёрная дыра весом в 1 миллиард тонн (масса горы) имела бы радиус около 10(-13), то есть размер нейтрона или протона. Описание того, что происходит при падении в чёрную дыру, — один из ужасов научной фантастики. Но это, быть может, уже не фантастика. И уж тем более не чёрный юмор.

И вот представим себе, что одна из этих ненасытных, как кадавр у Стругацких, чёрных дыр движется прямиком к Земле. Ученые из Института астрофизики имени Макса Планка в Германии и в самом деле обнаружили самую крупную из известных чёрную дыру по соседству с нашей Солнечной системой. Выходит, этих объектов во Вселенной не так уж мало. Хороша новость! Как новость о том, что маньяки проживают на каждой лестничной клетке. Сходство дополняет то, что любая чёрная дыра находится под шляпой-невидимкой. Обнаружить этот объект, как в криминалистике, всегда удается лишь по вторичным уликам. Чёрная дыра влияет на соседнюю звезду, которая чудесным образом выжила при взрыве Сверхновой. Она постепенно пожирает соседку, вытягивая из нее газы и еще более обжорством увеличивая свою массу. Этот процесс создает реактивную струю, вроде того, как происходит в паяльной лампе. Реактивная струя уходит от чёрной дыры на скорости, составляющей заметную долю скорости света. Астрофизики называют этот эффект «микроквазаром» — это уменьшенная модель чёрных дыр, живущих в ядрах самых активных галактик, известных как квазары. Итак, фантазируем дальше. Чёрная дыра, приблизившись к нашему Солнцу, без малейшей жалости и без малейшей надежды на помилование уничтожит наше светило, которое кажется нам вечным. Неужели нет спасения? Теоретически — есть. Чёрная дыра открывает любопытные возможности для далеких космических путешествий — вспомним роман Карла Сагана «Контакт». Физические законы симметричны во времени. Поэтому, если имеется объект чёрная дыра, в который все может падать и ничто не может вырваться, то должен существовать объект белая дыра, в который ничто не может упасть, но все может вылететь наружу. Иначе говоря, если прыгнуть в чёрную дыру в одном месте, то выпрыгнешь из белой дыры в другом месте. Дикость? Но согласно общей теории относительности Эйнштейна такие решения имеются. Они очень нестабильны, проход из чёрной дыры в белую может захлопнуться из-за малейшего возмущения. Но он существует, хотя такое путешествие рискованнее, чем плавание в дырявом тазу по Тихому океану. До изобретения парашюта прыгнуть с большой высоты было чистым самоубийством. До изобретения акваланга погрузиться на глубину тоже было невозможно. Весь вопрос в том, сумеем ли мы достичь такого прогресса, чтобы к моменту приближения чёрной дыры смело нырнуть в нее и выпрыгнуть в заранее рассчитанном раю в другой Галактике.

«Открой личико!»[править | править код]

Итак, чёрная дыра — что же это все-таки с точки зрения физики? Это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из чёрной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий», или просто «горизонтом» чёрной дыры. Создать и исследовать чёрную дыру в лаборатории практически невозможно: чтобы тело любой разумной массы (даже в миллионы тонн) стало чёрной дырой, его нужно сжать до размера, меньшего, чем размер протона или нейтрона, поэтому свойства чёрных дыр пока изучаются только теоретически. Однако расчеты показывают, что тела астрономического масштаба (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственного тяготения сжиматься до размера своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется уже более 40 лет, и сейчас можно с большой уверенностью указать несколько весьма вероятных кандидатов в чёрные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучение затруднено огромными расстояниями от Земли. И хотя сам факт существования чёрных дыр уже трудно подвергать сомнению, практическое изучение их свойств еще впереди.

История идеи о чёрных дырах[править | править код]

Black-hole1.jpg

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл (J.Michell, 1724—1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783. Так родилась концепция «ньютоновской» чёрной дыры. Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим 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». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчела и Лапласа о чёрных дырах была забыта. Во второй раз ученые «столкнулись» с чёрными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации — общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величину rg часто называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) — шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования чёрные дыры еще не рассматривались. Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд)как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, ее ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду. В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу — вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса. В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь чёрной дырой. Но поскольку такой объект (как говорили тогда, «коллапсар», или «застывшая звезда») не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть чёрной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри чёрной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на чёрную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что чёрная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «чёрная дыра», предложенный в 1967 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

Формирование чёрных дыр[править | править код]

Black-hole.gif

Самый очевидный путь образования чёрной 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 белый карлик 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 чёрной дырой. Как следует из формулы для rg, чёрная 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 чёрных 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 чёрных дыр. К тому же, чёрные 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 чёрных дыр не вполне ясны. Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения чёрной 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 чёрных 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 чёрные 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). Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических чёрных 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 чёрная 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 чёрных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в наиболее мощных ускорителях элементарных частиц.

Свойства чёрных дыр[править | править код]

Black-hole3.jpg

Вблизи чёрной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи чёрных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно называть «интервалом времени». Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи чёрной дыры. Это означает, что чёрная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от чёрной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от чёрной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория. Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент ее превращения в чёрную 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 чёрную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы. Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование чёрных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи чёрных дыр проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для чёрных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации — ОТО Эйнштейна — свойства чёрных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них: 1) Вблизи чёрной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону чёрной 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 чёрной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру чёрной 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 чёрную 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 чёрной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «чёрная дыра не имеет волос». В процессе коллапса звезды в чёрную 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 чёрная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая чёрную 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 чёрная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой чёрной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской чёрной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса. 3) Если исходное тело вращалось, то вокруг чёрной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся чёрной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для чёрной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи чёрной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса чёрной дыры, хотя сама она не видна. Чем ближе мы подходим к горизонту чёрной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (то есть быть «статическим») относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг чёрной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд. Предел статичности всюду лежит вне горизонта и соприкасается с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с осью вращения чёрной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя чёрная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения. 4) Все вещество внутри горизонта событий чёрной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени». 5) Кроме этого С.Хокинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» чёрных дыр. В 1974 он доказал, что чёрные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи чёрной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, чёрная дыра с массой 1012 кг должна вести себя как тело с температурой 1011 К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» чёрных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

Поиски чёрных дыр[править | править код]

Black Hole.jpg

Расчеты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования чёрных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие чёрной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных чёрных дыр в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький темный объект на фоне космической чёрноты. Но есть надежда обнаружить чёрную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них. Учитывая важнейшие свойства чёрных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить чёрную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что чёрные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения. Поскольку в двойной системе чёрная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, используя эффект Доплера, удается измерить скорость звезды и определить массу ее невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта, например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6 масс Солнца. Другие кандидаты в чёрные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 — в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако. Другим направлением поиска чёрных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные чёрные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звезды, вещество которых образует вокруг чёрной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них чёрных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. В последнее время получены весьма убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть чёрная дыра с массой около 2,5 млн масс Солнца. Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием чёрных дыр. Именно их считают источником активности в ядрах квазаров — молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.

Современные мифы и страшилки[править | править код]

Black Hole by Hikari-Riku.jpg
Blackhole invers.jpg

Не так давно во Всемирной Сети была опубликована новость о том, что ученые из США и Канады доказали, будто столкновения элементарных частиц действительно могут порождать чёрные дыры, чего опасаются противники Большого адронного коллайдера. С одной оговоркой: как подсчитали физики, энергия коллайдера слишком мала, чтобы они там действительно появились. Гипотеза о возможном появлении чёрных дыр на Большом адронном коллайдере, на котором будет достигнута самая большая в истории энергия столкновений частиц, стала одной из причин обращений в ООН и судебных исков с целью не допустить запуска установки. По мнению противников коллайдера, при столкновении протонов могут образовываться чёрные дыры, которые способны поглотить Землю. Физики в ответ заявляли, что «гипотеза чёрных дыр» основана на достаточно экзотических допущениях. При этом даже если они оправдаются, то такие чёрные дыры будут испаряться быстрее, чем долетят до стенки ускорителя. До сих пор, однако, никому не удалось показать, что при столкновении частиц действительно могут образовываться чёрные дыры в том смысле, в каком их предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Для того чтобы образовалась чёрная дыра, необходимо собрать очень большую массу в очень маленьком объеме, что и происходит при коллапсе массивных звезд. Согласно общей теории относительности, масса и энергия могут искривлять пространство, что и приводит к появлению гравитации. Если масса очень велика, а объем очень мал, то искривление становится настолько сильным, что ничто, даже свет, не может вырваться оттуда. Этот замкнутый объект и называется чёрной дырой. Точно так же в лабораторных условиях не могут синтезировать, например, настоящую шаровую молнию. Искусственная, обладая свойствами прототипа, живет не более нескольких мгновений и рассеивается в пространстве. Мэттью Чоптуик (Matthew Choptuik) из университета Британской Колумбии (Канада) и Франс Преториус (Frans Pretorius) из Принстонского университета (США) теоретически предсказали, что две частицы смогут породить крошечную чёрную дыру при столкновении с суммарной энергией выше так называемой планковской энергии — 1,22 на 10 в 19-й степени — примерно десять миллиардов гигаэлектронвольт. Затем, используя кластер из сотни компьютеров, они провели компьютерное моделирование процесса и проанализировали гравитационное взаимодействие между частицами. Результаты показали, что чёрная дыра образуется, если две частицы сталкиваются с суммарной энергией около одной трети планковской энергии. «Однако это не значит, что чёрные дыры будут образовываться при столкновении частиц на Большом адронном коллайдере», — говорит Чоптуик. Планковская энергия в квинтиллион раз больше, чем максимальная энергия столкновений на БАКе. Таким образом, образование чёрных дыр в коллайдере возможно только в том случае, если наше пространство не трехмерно, а содержит в себе кроме трех «обычных» измерений «дополнительные», свернутые измерения, которые становятся заметны только при столкновениях частиц. «Я буду очень сильно удивлен, если будут зафиксировано образование чёрных дыр в ускорителе», — говорит Чоптуик. Физики говорят, что такие чёрные дыры будут безо всякого вреда для окружающего мира распадаться на обычные частицы. Одним словом, вновь и вновь мы наблюдает столкновение малообразованной суеверной публики с ее предубеждениями и страхами и высоколобых ученых мужей, которые всегда уверены в непогрешимости своих расчетов. В таких случаях все решает практика и правило «золотой середины». Поживем — и увидим.

Источники[править | править код]

  • Владимир Сурдин «чёрная дыра».
  • Рис М., Руффини Р., Уилер Дж. Чёрные дыры, гравитационные волны и космология. М., Мир, 1977.
  • Новиков И. Д. чёрные дыры и Вселенная. М., Молодая гвардия, 1985.
  • Шапиро С., Тьюколски С. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. М., Мир, 1985.
  • Чандрасекар С. Математическая теория чёрных дыр. М., Мир, 1986.
  • Черепащук А. М. Массы чёрных дыр в двойных системах. — Успехи физических наук, 1996, т. 166, № 8.
  • Киржниц Д. А. Горячие «чёрные дыры». Новое в понимании природы теплоты. — Соросовский образовательный журнал, 1997, № 6.
  • Черепащук А. М. Поиски чёрных дыр. — Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4.