Чёрные ды́ры - космические объекты, существование которых предсказывает общая теория относительности; согласно теории, чёрные дыры образуются при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Излучение чёрных дыр «заперто» гравитацией. Чёрные дыры можно обнаружить лишь по действию их сил тяготения (влиянию на движение соседней звезды в двойной системе) либо по излучению газа, падающего на них извне.
* * *
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ - ЧЕРНЫЕ ДЫ́РЫ, области пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. Черная дыра отделена от остального пространства «горизонтом событий» - поверхностью, на которой вторая космическая скорость (см. ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ) равна скорости света (см. СКОРОСТЬ СВЕТА). Поскольку в природе ничто не может двигаться с большей скоростью, никакой носитель информации не может выйти из-под горизонта событий (часто его называют «поверхностью черной дыры»). Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие «под поверхностью» черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающее снаружи на черную дыру, может свободно проникать через горизонт событий. Проще говоря, черная дыра все поглощает, но ничего не выпускает; это и стало причино ее такого названия, предложенного в 1968 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.
Теоретически черная дыра может иметь любую массу (M). При этом ее размер (rg - «гравитационный радиус», т. е. радиус горизонта событий) определяется условием равенства на нем второй космической скорости и скорости света (с): GM/rg = c2, где G = 6,67·10-11 Н м2/кг2, гравитационная постоянная. Отсюда rg = 2GM/c2. Например, для Солнца (M = 2·1030 кг) получаем rg= 3 км, а для Земли (M = 61024 кг) получаем rg=1 см. Заметим, что вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля (см. ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ) так велика, что все физические процессы там, вообще говоря, можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения - общей теории относительности Эйнштейна (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт). Однако формулу для rg мы получили, используя классическую ньютоновскую физику, и по счастливой случайности она точно совпадает с результатом релятивистского расчета.
Создать черную дыру в условиях лаборатории, по-видимому, никогда не удастся: при любых разумных массах (даже в миллионы тонн!) ее размер должен быть меньше, чем у протона (см. ПРОТОН (элементарная частица)) или нейтрона (см. НЕЙТРОН). Поэтому свойства черных дыр пока изучаются теоретически. Однако расчеты показывают, что некоторые звезды в конце своей жизни могут очень сильно сжиматься (коллапсировать) и превращаться в черные дыры. Поиск таких объектов ведется уже несколько десятилетий и сейчас можно с большой уверенностью указать несколько весьма вероятных кандидатов.
История черных дыр
В 1783 английский геолог и астроном Джон Мичелл (1724-1793) первым предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Эту же идею высказал в своей книге «Система мира» (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (см. ЛАПЛАС Пьер Симон). Простой расчет позволил записать ему следующие знаменитый слова: «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». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Мичела и Лапласа о черных дырах оказалась забыта.
Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд (см. ШВАРЦШИЛЬД Карл) получил первое точное решение уравнений только-что созданной тогда Эйнштейном теории гравитации. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; кстати, 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 черные дыры еще не рассматривались.
Правда, в 1930-е годы, после создания квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) и открытия нейтрона (см. НЕЙТРОН), физики исследовали возможность формирования компактных объектов - белых карликов (см. БЕЛЫЕ КАРЛИКИ) и нейтронных звезд (см. НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ) - как продуктов эволюции нормальных звезд. Оказалось, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер (см. ОППЕНГЕЙМЕР Роберт) 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. Но поскольку такой, как говорили тогда, «коллапсар» или «застывшая звезда» не излучает электромагнитных волн, астрономы понимали, что обнаружить ее в космосе невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.
Поиск черных дыр
Учитывая важнейшие свойства черных дыр - массивность, компактность и невидимость, - астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимых массивных спутников в двойных звездах (см. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ) не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры весьма 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 на короткое время источником рентгеновского излучения (см. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКОЕ).
Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, астрономам удается, измеряя скорость звезды, определить массу ее невидимого компаньона и доказать, что это действительно черная дыра. Теория эволюции звезд (см. ЗВЕЗДНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ) показывает, что если масса сжимающегося ядра звезды превосходит 3M, то ничто не может остановить его коллапс (см. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС) и превращение в черную дыру. Астрономы выявили уже более дюжины двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3M, и заметили у них проявления активности вещества, падающего в черную дыру, например, очень быстрые колебания блеска, характерные для горячего газа, стремительно вращающегося вокруг компактного объекта. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя (см. ЛЕБЕДЬ (созвездие)), масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6M. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога (см. ЕДИНОРОГ (созвездие)), QZ Лисички (см. ЛИСИЧКА (созвездие)), а также в рентгеновских новых Змееносец (см. ЗМЕЕНОСЕЦ) 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 находится в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако (см. МАГЕЛЛАНОВЫ ОБЛАКА).
Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик (см. ГАЛАКТИКИ). В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные 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 черной дыры аккреционный диск (см. 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 черных дыр с массами до 100 млн M. Получены также довольно убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой около 2 млн M.
Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно они считаются источником активности в ядрах квазаров (см. КВАЗАРЫ) - молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.
Свойства черных дыр
Сейчас одно из важнейших направлений физики - исследование черных дыр, поскольку вблизи них 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 черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации Эйнштейна свойства черных дыр изучены весьма подробно. Наиболее любопытные особенности черных дыр таковы:
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, он 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 вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом, к сожалению, разорван ее мощными приливными силами.
2) Каким бы сложным не было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: массу, момент импульса и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и пр.) в ходе коллапса «стираются». Например, если сжималось незаряженное и невращающееся тело, то в результате получится шварцшильдовская (сферически симметричная) черная дыра, а все исходные неровности тела излучатся при коллапсе в форме гравитационных волн (см. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ).
3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (который первым нашел решение соответствующих уравнений).
4) Все вещество внутри черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг (см. ХОКИНГ Стивен Уильям) 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) Хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее возможен обмен энергией между ней и внешним пространством, например, пролетающие вблизи нее частицы или кванты (см. КВАНТ СВЕТА) могут уносить энергию ее вращения. Кроме этого С. Хокинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр, который, вообще говоря, может приводить к их полному исчезновению.