Черные космические дыры
Надо сказать, что в свое время обнаружение черных дыр буквально потрясло научную общественность.
Не случайно известный американский физик-теоретик Торн написал следующие строки: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ черной дыры. И, тем не менее, законы современной физики требуют, чтобы черные дыры существовали».
Еще в 1795 году Пьер-Симон Лаплас, руководствуясь законом всемирного тяготения, пришел к выводу, что, возможно, самые яркие небесные тела во Вселенной для нас, землян, невидимы.
Он произвел достаточно простые вычисления, используя знания о второй космической скорости, которую должно набрать любое космическое тело, чтобы преодолеть силы тяготения.
Например, вторая космическая скорость, до которой необходимо разогнать ракету с космонавтом, чтобы преодолеть земное тяготение, равна 11 км/с. Но эта скорость зависит от массы космического тела и его радиуса. Она тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус, так как с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. В соответствие с законом тяготения Ньютона уменьшение радиуса небесного тела вдвое при постоянной массе приводит к возрастанию тяготения вчетверо.
На поверхности Солнца, например, вторая космическая скорость равна 620 км/с, и поскольку скорость света (300 000 км/с) превышает эту величину, световые лучи несут нам жизнь.
Если представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив массу прежней, то вторая космическая скорость увеличится до 150 000 км/с. А если продолжить сжимать Солнце дальше, оставив неизменной массу, то мы вправе предположить, что вторая космическая скорость может достигнуть скорости света. И поскольку поле тяготения (по Ньютону) действует не только на объемные тела, которые притягиваются друг к другу, но и на микрочастицы и даже на свет, то вычисления Лапласа правомерны и для света.
Световые потоки не смогут преодолеть тяготение этого небесного тела, и мы со стороны сможем увидеть лишь некое темное пятно в космосе. Проще говоря, дыру.
Следует отметить, что в соответствии с теорией тяготения Ньютона тяготение становится бесконечно большим при радиусе, равном нулю. Необычные небесные тела хотя и считались гипотетическими, но притягивали внимание ученых.
С появлением теории относительности результаты теоретических исследований этих небесных тел изменились. Эйнштейн доказал, что при сжатии небесного тела гравитация растет гораздо быстрее, и определил так называемый гравитационный радиус, при котором она становится бесконечной [6].
Гравитационный радиус Солнца равен 2900 метров (при настоящем 700 000 километров), а гравитационный радиус Земли равен 10 миллиметров (при настоящем 6400 километров). Теория гласит, что любое небесное тело, сжатое до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, так как свет не может покинуть данное тело в связи с тем, что вторая космическая скорость должна быть выше скорости света.
Встал вопрос: что может так сжать звезду? Оказалось, сама звезда!
В 1968 году американский физик Джон Уилер в своей статье об этих удивительных небесных объектах ввел в обиход термин «черная дыра».
Как трактует «Википедия»: «Черная дыра – это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света)».
Чтобы понять, как возникает черная дыра или что именно произошло с объектом XR-1 в созвездии Лебедя, познакомимся с жизненным циклом звезды.
Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода вместо того, чтобы отскакивать друг от друга, начинают сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, вызовет свечение звезды.
Из-за дополнительного тепла во внутренних слоях протозвезды повышается внутреннее давление, стремящееся ее разжать. Когда между сжимающими силами (гравитационными) и расширяющими силами (силами внутреннего давления и центробежными силами, связанными с вращением звезды) наступит равновесие, протозвезда превращается в звезду. При этом наступает равновесие и между количеством тепла, отдаваемого вовне, и количеством тепла, получаемого от термоядерной реакции. В стабильном состоянии звезда может функционировать миллиарды земных лет.
Но когда у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива, наступает старость звезды. А дальше – смерть…
Звезды разной массы умирают по-разному. Это стало понятно только в конце XX века.
Малые звезды, к которым относится и наше Солнце, умирают не так эффектно, как массивные.
Но в любом случае при наступлении старости сжатие звезды существенно убыстряется. Гравитационные силы могут сжимать наше Солнце до тех пор, пока его радиус не станет равным 6000 километров. При этом плотность Солнца возрастет до 15 000 т/см3. При такой плотности гравитационные силы, направленные внутрь нашего Солнца, полностью уравновесятся силами отталкивания, существующими между отдельными частицами: электронами и ионами. Эти силы, направленные наружу, остановят процесс дальнейшего гравитационного сжатия Солнца, и оно постепенно остынет, превратившись в белого карлика. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса – самой яркой звезды на ночном небе.
Иначе обстоят дела с большими звездами.
В том случае, если масса звезды не превышает одной-двух масс Солнца, а размеры ее меньше, чем у белого карлика, то под действием сжатия электроны в толще звезды сливаются с протонами, образуя нейтроны. Такую звезду называют нейтронной.
Нейтронная звезда – астрономический объект, являющийся одним из конечных продуктов эволюции звезд. Нейтронная звезда состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус всего 10 километров. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжелых ядер составляет в среднем 2,8 ? 1017 кг/м3). Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых [7].
Ее плотность достигает нескольких миллиардов тонн на один кубический сантиметр. И эта растущая плотность убыстряет процесс сжатия. Когда плотность достигает 150 миллиардов т/см3, нейтроны превращаются в гипероны.
Массы большинства известных нейтронных звезд близки к 1,44 массы Солнца.
Если после некоторого сжатия такая звезда все же сохранила какое-то количество вещества, способного взорваться, то она взрывается, выбрасывая свои внешние слои в космическое пространство.
Однако как теоретически установил действительный член АН СССР Л. Д. Ландау, если масса физического тела превышает удвоенную массу нашего Солнца, и если его плотность выше плотности атомного ядра, то в природе не существует сил, способных остановить его катастрофическое гравитационное сжатие.
Звезда продолжит сжиматься до своего критического (гравитационного) радиуса[27] и критической плотности.
Гравитационные силы на поверхности такой звезды становятся настолько могущественными, что ни одна материальная частица, даже фотон, не может оторваться от поверхности небесного тела. Свет не может выйти наружу. При этом звезда способна притягивать к себе все соседние тела и частицы – она буквально «пожирает материю». Эта область пространства-времени, из которой невозможно выйти наружу, называется черной дырой.
Границу черной дыры называют горизонтом событий. О горизонте событий можно сказать словами Данте о входе в Ад: «Оставь надежду всяк сюда входящий». По поводу горизонта событий Стивен Хокинг, лауреат Нобелевской премии, говорит: «Все и вся провалившееся за горизонт событий вскоре попадает в область бесконечной плотности, где время кончается» [6]. Надо сказать, что горизонт событий надежно укрывает происходящее в черной дыре от глаз наблюдателя.
В астрономии говорят о трех типах черных дыр. Первый – черные дыры звездных масс (примерно 10 масс Солнца). Они образуются из массивных звезд, когда в них заканчивается термоядерное горючее. Второй – сверхмассивные черные дыры в центрах галактик (массы от миллиона до миллиардов солнечных). И, наконец, первичные черные дыры, образовавшиеся в начале жизни Вселенной, массы которых невелики (порядка массы крупного астероида).
Кроме того, черными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой черной дыре – например, это могут быть коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
В настоящее время астрономам удалось обнаружить сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять миллиард солнц! Сверхмассивные черные дыры по свойствам не отличаются от своих меньших собратьев. Они лишь гораздо массивнее и, как правило, находятся в центрах галактик – звездных островов Вселенной. В центре нашей Галактики (Млечный Путь) тоже имеется сверхмассивная черная дыра [8].
Итак, катастрофическое гравитационное сжатие будет происходить до тех пор, пока звезда не исчезнет в черной космической дыре. Такое исчезновение в черной дыре называется гравитационным коллапсом.