Черная дыра
ЧЕРНАЯ ДЫРА, область в пространства, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в какой гравитационное притяжение да заглавно, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации ни могут ее оставить. Потому внутренняя часть черной дыры причинно ни связанной с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы ни могут вплывать на процессы вне ей. Черная дыра окруженная поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение сво-бодно подает сквозь ее в черную дыру, но оттуда ничто ни может выходы. Эту поверхность называют “горы-зонтикам событий”. Поскольку поныне имеются только косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых годов от Земли, наше следующее изложение основывается главным образом на теоретических итогах.
Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейнам в 1915) и другими, более современными теориями притяжения, были математическо обоснованные Р.Оппенгеймером и Х.Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов очутились этак необычными, что астрономы и физики в течение 25 годов ни относились к их серьезно. Одна-к астрономических открытий в середине 1960-х годов принудили взглянуть на черные дыры как на возмож-ную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши предоставления о просторе и времени.
ЧЕРНАЯ ДЫРА ПЕРЕКРИВЛЯЕТ КРУГОМ СЕБЯ ГЕОМЕТРИЮ ПРОСТРАНСТВА. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915), гравита-ция, т.е. взаимное притяжение промеж всеми материаль-ными телами, - это совсем ни силы, а итог искрив-ления просторы-времени. Чем более плотность объекта, тем крепче его гравитационное притяжение, т.е. более искривление пространства-времени. Веще-ство в ядрах некоторых коллапсирующих звезд достига-ет такой плотности, что пространство в их окрестности сильно искривленное, как показывают кривые линии на рисунке. Сильно искривленные области пространства-времени и есть черные дыры.
Образование черных дыр. Пока в недрах звезды отбываются термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатия звезды под действием собст-венной гравитации. Однако со подчас ядерное полива оскудевает, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что когда масса звезды ни превосходить трех масс Солнца, то она выиграет “битву с гравитацией”: ее гравитационный коллапс будет остановленный давлениям “вырожденного” вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но когда масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она скоро сойдет под горизонт событий, став черной дырой. В сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферу с окружно-стью по экватору в 2 раз большей “гравитацион-нога радиуса” черной дыры RG = 2GM/c2, где c - скорость света, а G - взрослая притяжения. Черная дыра с массой 3 солнечных мои гравитационный радиус 8,8 км.
Когда астроном будет наблюдать звезду в момент ее преобразования в черную дыру, то сначала он уви-дит, как звезда все скорей и скорей сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационного радиуса сжатие начнет замедляться, пока ни остановиться совсем. При этом приходный от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока ни потухнет совсем. Это отбывается тому, что в борьбе с гигантской силой тяжу-сти свет утрачивает энергию и ему требуется все более времени, чтобы достигнуть наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, который оставил ее света затребуется бесконечное время, чтобы достигнуть наблюдателя (и при этом фотоны целиком потеряют свою энергию). Таким образом, астроном ни-когда ни дождется этого момента и тем более ни увидеть того, что отбывается со звездой под горизонтом со-бытий. Но теоретическо этот процесс исследовать можно.
Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за краткое время звезда сжимает-ся в точку, где достигаются бесконечно большие значимости плотности и притяжения. Такую точку называют “сингулярностью”. Более того, общий математический анализ показывает, что когда восстал горизонт событий, то даже несферический коллапс приводить к сингулярности. Однако все это точно только в том случае, когда общая теория относительности применяемая вплоть до очень строчных пространственных масштабов, в чем мы пока ни уверенных. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации пока ни соз-данная. Ясно, что квантовые эффекты ни могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.
Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населении Галактики показывают, что средь 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черных дыр, которые образовались при коллапсе самых массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей.
Как уже отмечалась, в нашу эпоху черной дырой может стать только масса, более чем втрое превы-шающая солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого ок. 15 млрд. годов назад началось расши-рение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые строчные с их в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но “первичные черные дыры” с массой более 1015 г могли сохраниться к наших дней.
Все расчеты коллапса звезд делаются в предположении слабого отклонения от сферической симмет-рии и показывают, что горизонт событий формируется всегда. Однако при сильном отклонении от сфериче-ской симметрии коллапс звезды может привести к образования области с бесконечно сильной гравитацией, но ни окруженной горизонтам событий; ее называют “голой сингулярностью”. Это уже ни черной дыры в том смысле, как мы обсуждали повыше. Физические законы сблизи голой сингулярности могут иметь очень ни-ожиданный вид. В настоящее время голая сингулярность рассматривается как маловероятный объект, тогда как в существование черных дыр верить большинство астрофизиков.