Чёрные дыры.Существуют ли черные дыры в действительности? Черные дыры.

2007-09-12 / Владимир Покровский

Черные дыры умирают еще до своего рождения. По крайней мере так утверждают американские физики-теоретики из Университета Case Western Reserve из штата Огайо. Они вывели математические формулы, из которых следует, что черные дыры просто не могут формироваться. Если эти формулы верны, то рушится самая, пожалуй, главная космологическая конструкция XX века.

Что такое черная дыра? Мы все знаем, об этом нам множество раз доложено. Это такое сверхмассивное тело, гравитация которого просто ужасна. Как только что-нибудь приближается к нему на расстояние от центра, именуемое горизонтом событий, то всё – уже никогда это что-нибудь, будь то материальное тело, будь то просто квант электромагнитного излучения – фотон, который тоже материальное тело, но одновременно и электромагнитная волна, назад вырваться не сможет. Таким образом, еще не зная о фотонах, когда-то определил черную дыру великий Лаплас, потом в 1916 году ее предсказал немецкий физик Шварцшильд, хотя сам термин – «черная дыра» – был предложен только в 1967 году.

Ну мало ли, сверхмассивное тело, которое втягивает в себя все, что неосторожно окажется поблизости, – что в этом особенного для нашего превосходящего всякое воображение космоса? Особенное есть – его привнес Эйнштейн, правда, не сам, а с помощью своей теории относительности. Согласно этой теории, все, что попадает в черную дыру, сваливается в математическую точку. Дыра при этом совершенно пуста, кроме той самой точки. А в точке той наблюдается совсем уже невозможное – так называемая сингулярность: деление на ноль, бесконечная плотность, а уж отсюда следуют самые фантастические последствия. Например, проникновение в параллельную вселенную или мгновенное перемещение в другую точку нашего пространства.

Но уж как-то непривычно для нашего мира с точки зрения физики иметь деление на ноль, оно всегда как-то смущало. Типа оно только в математике может быть, а в реальности – никогда.

В 1976 году знаменитый британский физик-теоретик Стивен Хокинг обнаружил квантовый эффект, благодаря которому черная дыра, то есть тело, гравитация которого уже по определению не может выпустить свет наружу, все-таки его излучает. Он показал, что если есть пара «частица–античастица», связанные между собой квантово-механически, и одна из этих частиц падает в дыру, то оставшаяся на свободе может ее оттуда вытащить. Теперь кливлендские теоретики вроде бы доказали, что возникающее таким образом испарение черной дыры настолько интенсивно, что она испарится, не успев даже сформироваться.

Как уж они это сделали и насколько они правы в своих выводах, давайте не будем гадать, предоставим судить их коллегам. Но в действительности сомнения в существовании черных дыр высказываются уже давно, и время от времени появляются публикации, авторы которых доказывают, что никаких черных дыр нет. Несмотря на то что к сегодняшнему дню их уже открыто несколько сотен. «Но это не черные дыры, – утверждают кливлендские теоретики. – Это просто сверхмассивные космические объекты».

Член-корреспондент РАН Анатолий Черепащук, директор Государственного астрономического института им. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова, по этому поводу в комментариях осторожен.

«Действительно, – сказал он в беседе с корреспондентом «НГ», – здесь есть некоторая терминологическая путаница. Мы видим в небе объекты, которые ведут себя точно так же, как должны себя вести черные дыры, и мы верим, что это черные дыры, и мы называем их так, однако предстоит еще доказать, что это объекты, не имеющие поверхности. Но существует много косвенных указаний на то, что поверхности они как раз и не имеют».

В том, что черные дыры испаряются, Черепащук не видит ничего нового: «Они все испаряются. Если масса черной дыры не превышает массы средней горы, такой, например, как Ленинские горы в Москве, то есть 1015 граммов, то она действительно испарится в один момент, взрывом; тогда как дырам массой в несколько Солнц на полное испарение потребуются тысячи космологических времен. Есть, правда, экзотические теории, учитывающие то, что наше пространство имеет не 4 измерения, а 11, и по этим дополнительным измерениям черная дыра тоже испаряется. И, значит, процесс испарения происходит намного быстрей, чем в обычном четырехмерном пространстве. В каком-то смысле работа, о которой вы говорите, похожа на логическое продолжение этих теорий. Но, повторяю, существует множество косвенных свидетельств о том, что черные дыры все-таки существуют».

Черных дыр не существует? September 29th, 2014

И как будто всего этого было недостаточно: сейчас появилась информация, что они и вовсе не существуют. Женщина математически доказала , что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.

Давайте узнаем подробнее, что же это за версия в науке …

Объединив две, на первый взгляд, противоположные теории, Лаура Мерсини-Хьюстон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики Колледжа наук и искусств Университета Северной Каролины (США), математически доказала, что черные дыры вообще не могли существовать. Ее исследование не только заставляет ученых переосмыслить ткань пространства-времени, но также и вновь задуматься над происхождением Вселенной.

Черные дыры - термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком Джоном Уилером, - сверхмассивные релятивистские объекты, существование которых лежит в основе множества астрофизических теорий, описывающих эволюцию галактик, звезд, квазаров. И хотя сегодня их существование у большинства астрономов не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.

Поскольку эти объекты ни излучают свой, ни отражают чужой свет, определять их наличие можно только косвенными методами. Так, ученых убеждает в их существовании быстрое вращение звезд рядом с центрами галактик и отклонение лучей света (линзирование), которое наблюдается в окрестностях этих сильно гравитирующих объектов.

Астрономам известны черные дыры двух типов - звездных масс и сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца.

Ведутся споры о существовании черных дыр промежуточных масс. Считается, что первый тип образуется при коллапсе массивных звезд, когда звезда, раздувшись, сбрасывает внешние слои и коллапсирует внутрь себя под действием собственной гравитации. Происхождение же сверхмассивных черных дыр вызывает у астрономов споры: то ли они формировались одновременно со Вселенной в сгустках темной материи, то ли при коллапсе больших газовых облаков.

То же самое произойдет, если Землю сжать до размеров грецкого ореха: ее плотность возрастет настолько, что ни одно тело не сможет оторваться от ее поверхности, даже двигаясь со скоростью света.

Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий - воображаемой поверхности, попав за которую ни тело, ни информация уже не могут попасть обратно. Прелесть черных дыр в том, что они противопоставляют друг другу две фундаментальные физические теории - эйнштейновскую теорию гравитации, из которой вытекает возможность их существования, и квантовую теорию, которая постулирует, что никакая информация во Вселенной не может никуда исчезнуть.

В 1974 году известный британский ученый Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры должны испаряться. Квантовая теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются пары частица - античастица. При этом рождение таких пар у горизонта событий допускает возможность, что одна частица упадет на черную дыру, а другая - нет. Так, улетевшие частицы могут уносить массу дыр за счет так называемого излучения Хокинга.

Примечательно, что свою теорию Хокинг выдвинул вскоре после того, как в 1973 году встречался в Москве с советскими физиками Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.

Они убедили Хокинга в том, что вращающаяся черная дыра может испускать электромагнитные волны и частицы.

Марсини-Хоутон математически описала процесс коллапса массивных звезд и пришла к парадоксу. Ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает излучение Хоккинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу.

Причем настолько стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.

«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», - сказала исследовательница.

Исследование, которое было направлено в базу ArXiv , онлайн хранилище исследований в области физики, которые не рецензируются, содержит точные математические решения этой проблемы и подготовлено в сотрудничестве с Гаральдом Пайффером (Harald Peiffer), экспертом в области математической относительности из Университета Торонто (Канада). Более раннее исследование Мерсини-Хьюстон, также направленное в ArXiv в июне, было опубликовано в журнале Physics Letters B и содержит приблизительное решение исследуемой проблемы.

Экспериментальные данные когда-нибудь могут представить физическое доказательство, существуют ли черные дыры во Вселенной. Однако на данный момент, по словам Мерсини-Хьюстон, математические выводы являются окончательными.

Многие физики и астрономы полагают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая стала расширяться после Большой взрыва. Однако если сингулярностей не существует, ученым придется вновь обдумать теорию Большого взрыва и даже вопрос о том, произошел ли он в действительности.

«Физики пытались объединить эти две теории – теорию гравитации Эйнштейна и квантовую механику – на протяжении десятилетий, и этот сценарий приводит теории в гармонию, — говорит Мерсини-Хьюстон. – Это очень важно».

Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено.

Черными дырами названы звезды, которые предположительно имеют настолько большие массы и малые размеры, что свет не может преодолеть силу тяжести и покинуть звезду.

По-видимому, черные дыры - это те объекты Вселенной, которые привлекают наибольшее внимание людей. Это звезды большой массы на конечной стадии жизни, которые создают столь сильное гравитационное поле, что абсолютно не могут отражать свет, поэтому для наблюдателя они кажутся черными. Не излучая электромагнитной энергии какого-либо типа, они не могут наблюдаться непосредственно, и поэтому настолько трудно подробно изучить их природу, что можно начать сомневаться в их существовании. Но в последние годы набралось достаточное количество доказательств их наличия, позволивших с достаточной уверенностью определить место этих объектов среди прочих, населяющих Вселенную.

Итак, тело, подвергающееся достаточно значительному сжатию, через какое-то время перестает отпускать от себя световые лучи. Радиус, при котором это начинает происходить, впервые рассчитал Карл Шварцшильд . По всей видимости, его можно считать величайшим астрофизиком первой половины двадцатого столетия. Ему принадлежат основополагающие вклады во многие разделы астрофизики. После того как сформулировал свои уравнения общей теории относительности, Карл Шварцшильд незадолго до своей смерти получил для них первые точные решения, описывающие, в частности, и свойства черных дыр. Шварцшильд был директором обсерваторий в Гёттингене и Потсдаме; в 1916 г. в возрасте 43 лет он умер от болезни, полученной им на фронтах первой мировой войны. Его прах покоится на центральном кладбище в Гёттингене.

Радиус, до которого необходимо сжать тело, чтобы свет от него не мог уходить в пространство, называют радиусом Шварцшильда . Для Солнца он составляет около трех километров. Если сжать Солнце до этого или меньшего радиуса, то его свет не будет выходить наружу. Вообще говоря, радиус Шварцшильда может быть рассчитан для любого тела. Чем меньше масса тела, тем меньше и радиус Шварцшильда. Для того количества вещества, из которого состоит человек, радиус Шварцшильда настолько мал, что если его выразить в сантиметрах, получится ноль целых и еще двадцать один ноль после запятой, и только дальше появятся цифры, отличные от нуля. Если сжать массу, равную массе человека, до столь малого радиуса, то во внешнее пространство от нее не будет уходить свет.

Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Оно дает о себе знать внешнему миру благодаря своей гравитации. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие от нее на более значительном расстоянии. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.

Но пока что это все был наш мысленный эксперимент. Существуют ли черные дыры в действительности? Довольно трудно представить себе, чтобы на нейтронную звезду поступало столь большое количество вещества, что ее масса увеличилась до того предела, за которым наступает гравитационный коллапс. У рентгеновских двойных звезд, например, поток вещества, поступающего к нейтронной звезде, настолько мал, что за все время жизни звезды, отдающей свою массу, масса нейтронной звезды увеличивается совсем ненамного. Но что мы знаем о возникновении нейтронных звезд? Всего лишь то, что пульсар в Крабовидной туманности образовался после взрыва Сверхновой. А что мы знаем о взрывах сверхновых? Не может ли случиться, что иногда после разлета внешней оболочки остается еще масса, достаточная не только для образования нейтронной звезды, но и для дальнейшего коллапса ее в черную дыру? Относительно некоторых рентгеновских двойных имеется сильное подозрение, что компактным объектом, от которого исходит рентгеновское излучение, является не нейтронная звезда, а черная дыра. Вещество, которое идет от звезды-спутника, может еще до того, как станет невидимым в недрах черной дыры, разогреться до такой степени, что начнет испускать рентгеновское излучение. По движению видимой звезды можно рассчитать массу рентгеновского источника. Считают, что у рентгеновского источника Лебедь Х-1 масса компактного объекта превышает три солнечных массы. Этот компактный объект уже не может быть нейтронной звездой; не является ли он черной дырой?

Умирающие звезды превращаются в компактные объекты, в которых вещество связано навечно. Однако прежде они выбрасывают часть своей массы в пространство - это то вещество, которое может послужить для образования новых звезд. И то вещество, из которого состоят наши собственные тела, по меньшей мере однажды кипело в недрах какой-нибудь звезды. Но почти всегда после звезды остается компактный объект, и в конце концов вся материя во Вселенной будет сосредоточена в остывающих белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах, вокруг которых обращаются безрадостные холодные планеты. Похоже, что Вселенную ожидает довольно-таки унылое будущее.

Впервые термин «Черная дыра» был использован в 1967 году Джоном А. Уилером. Так называют область в пространстве и времени с настолько большой гравитацией, что покинуть ее пределы не могут даже кванты света. Размер определяют гравитационным радиусом, а границу действия называют горизонтом событий.

Черная дыра в представлении художника

В идеале черная дыра, при условии ее изоляции – это абсолютно черный участок пространства. Как выглядит черная дыра на самом деле, пока не знает никто, известно лишь, что она не оправдывает своего названия, так как она абсолютно невидима. По мнению ученых астрономов, определить ее наличие можно только по свечению в районе горизонта событий. Это происходит по двум причинам:

1. В нее попадают частицы вещества, скорость которых по мере приближения к точке невозврата, понижается. Они создают картинку диффузного газопылевого облака, с увеличивающейся внутри плотностью.
2. Кванты света, проходя рядом с черной дырой, изменяют свою траекторию. Это искажение иногда настолько велико, что свет несколько раз огибает ее, прежде чем попасть внутрь. Так образуется световое кольцо.

По предположениям астрономов, всепоглощающая звезда вовсе не бесформенна, а похожа на полумесяц. Это происходит потому, что сторона, обращенная к наблюдателю, по особым космическим причинам, всегда ярче другой стороны. Темный круг, находящийся в центре полумесяца и есть черная дыра.

Возникновение

Существует два сценария возникновения: сильное сжатие массивной звезды, сжатие центра галактики или ее газа. Есть также гипотезы, что они сформировались после Большого Взрыва или возникли в результате возникновения огромного количества энергии в ядерной реакции.

Виды

Джет в галактике M87 — проявление активности сверхмассивной черной дыры в ядре галактики

Различают несколько основных видов: Сверхмассивные – очень разросшиеся, часто находятся в центре галактик; Первичные – предполагается, что они могли появиться при больших отклонениях в однородности гравитационного поля и плотности при появлении Вселенной; Квантовые – гипотетически возникают при ядерных реакциях и имеют микроскопические размеры.

Жизнь черной дыры не вечна

По предположению С. Хокинга она ограничена примерно 10 в 60 степени годами. Дыра постепенно «худеет» и оставляет после себя только элементарные частицы.

Есть предположение, что существует и антипод – белая дыра. Если в первую все входит и не выходит, то во вторую попасть невозможно – она только выпускает. Согласно этой теории, белая дыра возникает на короткое время и распадается, выплеснув энергию и вещество. Вполне серьезные ученые полагают, что таким образом создается некоторый тоннель, с помощью которого можно перемещаться на колоссальные расстояния.

Научно-популярный фильм о черных дырах

С момента, когда силой коллективного разума блестящих учёных всего мира была сформулирована теория чёрных дыр, сама возможность существования неразличимых в космическом пространстве гравитационных ловушек будоражила умы учёных. До недавнего времени считалось, что чёрные дыры — убеждённые одиночки, не способные мирно сосуществовать со своими собратьями, однако обнаружение невероятного с точки зрения астрофизики древнего звёздного скопления, включающего в себя сотни чёрных дыр, в корне опровергло это представление.

Чёрные дыры снискали славу одних из самых спорных и загадочных объектов во Вселенной. Этих невероятно массивных космических монстров, не выпускающих из своих цепких гравитационных щупалец даже свет, практически невозможно обнаружить, а значит, и исследовать. Чёрная дыра становится «видна» лишь тогда, когда она избирает и поглощает очередную жертву. Именно в этот момент наблюдается аномальное поведение звезд и межзвёздного вещества, сопровождающееся всплесками гравитационных волн и мощным рентгеновским излучением, позволяющим обнаружить дыру.

ШАГ ЗА ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ

По сей день астрофизикам не удаётся прийти к единому мнению относительно природы черных дыр. Согласно одной из популярных теорий, во время взрыва сверхновой, то есть гибели достаточно массивной звезды, гравитационное сжатие достигает таких масштабов, что вещество погибшей звезды начинает коллапсировать, стягиваться к центру, образуя точку настолько высокой плотности и массы, что все законы физики внутри неё отменяются. Образуется сингулярность, способная силой одного лишь гравитационного воздействия не просто поглощать попавшую в область притяжения материю, но и искривлять окружающее пространство и изменять само течение времени. Именно поэтому одно из общепринятых на сегодня определений описывает чёрную дыру как невероятно плотную область пространства-времени, обладающую столь мощным гравитационным притяжением, что ни одна частица не может вырваться за её предел, называемый горизонтом событий.

Как уже говорилось, учёные способны судить о происходящих в чёрных дырах процессах только по состоянию излучений поглощаемых дырами объектов, в состоянии покоя же эти притаившиеся в космических глубинах сверхплотные тела остаются совершенно неразличимыми для наблюдателя. Первые доказательства существования чёрных дыр были получены благодаря наблюдению вращения светящихся дисков разогретых газов и «танцующих» звёзд, без видимой причины начинавших стремительно кружиться по вытянутым орбитам вокруг пустой на первый взгляд области пространства.

Современной науке не известен другой такой объект, способный раскрутить, разогреть, перемолоть и вывернуть наизнанку невообразимые массы материи. Именно сверхмассивные чёрные дыры таятся в сердцах галактик и, пожалуй, самых ярких объектов во Вселенной — квазаров.

Однако происхождение чёрных дыр достойно отдельного, более внимательного рассмотрения, тем более что далеко не на все подробности этого процесса учёным удалось пролить свет понимания- На сегодня исследователи не могут прийти к единому мнению даже о том, чем на самом деле является чёрная дыра — обособленным объектом, бесконечно коллапсирующей звездой или же особой областью пространства. Более того: астрофизики не имеют неоспоримых доказательств самого существования объектов, наделяемых свойствами чёрных дыр, так как оно напрямую зависит от правильности постулатов современной теории гравитации. Но, как показывает практика, человеческие представления о законах Вселенной — не авторитет для чёрных дыр.

СОТНИ ЧЁРНЫХ ДЫР СОЗВЕЗДИЯ РАЙСКОЙ ПТИЦЫ

Вначале осени текущего года исследователи из Университета Суррея () заявили об открытии невероятного с точки зрения астрофизики сосредоточения сотен чёрных дыр в шаровом звёздном скоплении NGC 6101 из созвездия Райской Птицы. Согласимся, на человека, далёкого от науки, открытие группы «компанейских» чёрных дыр вряд ЛИ способно оказать должное впечатление, но для учёных эта находка стала по-настоящему шокирующей.

Согласно традиционному представлению, многочисленное скопление чёрных дыр может возникнуть в системах, включающих в себя большое число массивных звёзд, располагающихся на относительно небольшом по космическим меркам расстоянии друг от друга и сформировавшихся примерно в одно время. Благодаря большой концентрации звёзд, относящихся к одному «поколению», и примерно одинаковой скорости движения элементов системы в пространстве в подобных скоплениях процесс превращения массивных звезд в сверхновые протекает практически синхронно, что приводит к выбросу газов и чёрных дыр за пределы скопления. Но формирование в созвездии Райской Птицы, по-видимому, не желает вписываться в стандартную модель.

Оказалось, шаровые звёздные скопления, подобные NGC 6101, могут содержать сотни чёрных дыр звёздной массы, правда, не без последствий для структуры самого формирования.

МОЛОДЯЩИЕСЯ «ИЗГОИ»

Обнаружение чёрных дыр в отдалённых областях стало возможным благодаря открытию 2013 года, когда астрономам удалось засечь присутствие дыры по излучению, выделяемому при её «трапезе», когда звезда-компаньон отдавала свою материю черной дыре. В случае NGC 6101 внимание астрофизиков привлекло, в частности, аналогичное поведение звёзд и присутствие большого количества так называемых звезд-изгоев, В стандартных шаровых скоплениях подавляющее большинство звёзд распределяется ближе к центру формирования, но в скоплении созвездия Райской Птицы наблюдается обратная картина.

«Черные дыры нельзя увидеть в телескоп, так как фотоны просто физически не могут выбраться из них, — рассказывает один из авторов открытия Миклос Пойтен. — Для того чтобы найти эти объекты, нам пришлось наблюдать за тем, как их притяжение влияет на поведение видимой материя вокруг них. Наблюдения за этими эффектами и расчеты помогли нам понять, где находятся черные дыры, и таким образом найти то, что нельзя увидеть».

BNGC61Q1 множество звезд расположено на периферии системы, тогда как стандартная модель шарового скопления, как нам уже известно, требует, чтобы концентрация звезд от центра к окраинам неуклонно снижалась. Нетипично малое количество звёзд в центре скопления говорит о высоком проценте присутствия звёзд — «изгоев», вынесенных внешними силами из участков пространства, где они были сформированы. Возникновение «изгоев» свидетельствует о наличии мощных гравитационных полей: воздействие со стороны невидимого для невооруженного глаза источника заставляет звезды покидать их привычные места обитания и отправляться в путь по непостоянной траектории, пополняя запасы вещества для поддержания ядерного синтеза за счёт энергии других звезд.

Подобный рассеянный тип распределения нормальных звёзд и «изгоев» наиболее характерен для молодых звёздных скоплений, хотя возраст исследуемой области составляет около 13 миллиардов лет.

Изучив расположение вырванных из родных областей голубых с<изгоев» по отношению к нормальным звёздам, астрофизики построили гипотетическую модель перемещения звезд Б системе за период её существования. Согласно полученным в ходе моделирования данным, подобная организация звёздного скопления возможна лишь в том случае, если NGC населена невероятным количеством чёрных дыр небольшой массы, которые силой своего воздействия перераспределяют объекты в скоплении» Кроме того, скорости перемещения блуждающих объектов указывают на то, что в NGC 6101 соседствуют звёзды как минимум двух поколений, что, как выяснилось, является частным проявлением воздействия сил притяжения.

Это открытие позволило сделать вывод, что подобные скопления черных дыр не только существуют, что в корне опровергает полученные ранее расчёты, но и являются едва лине основными «фабриками» по производству чёрных дыр.

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Главную ценность открытия сотрудников Университета Суррея представляет не просто сам факт реальности существования групп чёрных дыр, которые оказались в состоянии противостоять мощи взрывов сверхновых, не разметавшись по всему обозримому пространству. И даже не уникальная возможность изучения динамики жизненного цикла звёзд и нетипичных шарообразных скоплений.