ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ – ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ – ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ Рейтер Кирилл Александрович Негосударственное образовательное частное учреждение высшего образования «Московский финансово­промышленный университет «Синергия» Доцент кафедры высшей математики и естественнонаучных дисциплин  Кандидат философских наук Россия, Москва E­mail: [email protected]  SPIN­код: 5898­5790 Аннотация. Черные дыры – совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Изучение физики черных дыр позволяет расширить познания о фундаментальных свойствах пространства и времени. Образно говоря, черные дыры – это дверь   в   новую,   широчайшую   область   познания   физического   мира.  В   статье рассматриваются   ключевые   аспекты   существования   самой   загадочной   области пространственно­временного континуума – черной дыры.  Ключевые   слова:  астрофизика,   пространство,   время,   гравитация,   сингулярность, релятивизм. Черные дыры – самый таинственный объект во всей науке. Любые вопросы, связанные с ними, – это вопросы, которые затрагивают Вселенную в целом. Дать определение черным дырам весьма непросто. Если поверить физикам, это явление представляет собой некое порождение тяготения, достигшего колоссальных величин. Как результат в пространстве появляются   области   настолько   плотные,   что   даже   свет   не   в   состоянии   преодолеть   их гравитационного   притяжения.   Вещество,   поглощаемое   черной   дырой,   раскаляется   и, погружаясь   в   «бездну»,   начинает   излучать   очень   высокую   энергию.   В   состав   этого излучения   входит   и   рентгеновское,   которое   способны   обнаруживать   телескопы   на околоземной орбите. Лаконичное объяснение феномена звучит так. Чёрная дыр — это пространственно­ временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты. Когда­то   чёрная   дыра   была   массивной   звёздой.   Пока   термоядерные   реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается  и  небесное тело,  под действием  собственной гравитации, начинает сжиматься.   Завершающий   этап   этого   процесса   —   схлопывание   звездного   ядра   и образование чёрной дыры. Самая   распространённая   теория   гласит,   что   подобные   феномены   есть   в   каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна   удерживать   вокруг   себя   несколько   галактик,   не   давая   им   удаляться   друг   от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет. Известно,   что   черные   дыры   «проглатывают»   не   только   находящиеся   поблизости физические предметы, но и свет. По этой причине они невидимы; обнаружить нахождение в пространстве таких явлений можно, только основываясь на косвенных признаках. Черные дыры возникают после смерти больших звезд (в основном, их наблюдают в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик). Черные дыры обладают целым рядом абсолютно   фантастических   свойств:   внутри   них   изменяются   свойства пространства, замедляется время. Эти две основополагающих составляющих нашего бытия в   уникальной   зоне   закручиваются   в   воронку;   теоретики   полагают,   что   в   ее   глубине пространство и время распадаются на кванты. По сути, мы имеем дело с гравитационной ловушкой, откуда нет выхода. При этом у этой бездны попросту отсутствует… наблюдаемая поверхность. Если у нейтронных звезд зарегистрированы сильные магнитные поля и строго периодичные пульсации рентгеновских лучей,   то   черные   дыры   характеризуются   неподдающимися   расчетам   флуктуациями излучения.   Кстати,   еще   одна   особенность:   это   явление   уникально   по   количеству накопленной в нем энергии. Во Вселенной нет объектов, которые содержали бы ее больше, чем черные дыры. Фактически, перед нами – неиссякаемый источник! Рис. 1. Схематической изображение черной дыры. Первые упоминания о Черной дыре  появились в конце XVIII века, когда великий французский физик Пьер­Симон де Лаплас и английский клирик Джон Митчел  обратили внимание   на   «предсказание»,   которое   содержалось   в   ньютоновской   теории. Математическое решение данной проблемы увидело свет позже. В начале XIX столетия Лаплас,   в   продолжении   своей   теории,   заговорил   о   теоретической   возможности существования черных дыр. В знаменитом «Курсе теоретической физики» Лев Ландау и Евгений Лифшиц называли эту загадку Вселенной самой красивой из всех существующих теорий,   а   один   из   основателей   квантовой   механики   Макс   Борн   восхищался   ею,   «как творением искусства». Такого   рода   отношение   данный   объект   вызывает   практически   у   всей   научной общественности.   Но,   по   всей   видимости,   наиболее   поэтично   высказался   американский физик Кип Стивен Торн: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, самое фантастичное – это образ черной дыры, границу которой ничто не может пересечь, и даже свет задерживается ее мертвой хваткой»1. Чёрная   дыра   –   это   не   просто   сверхплотная   и   сверхмассивная   сингулярность,   в которой пространство так сильно искривлено, что всё, что упало туда, не может убежать. Обычно  мы   так  её  себе   представляем,  но  чёрная  дыра,   если  быть  точным,   это  регион пространства вокруг таких объектов, из которого не может выйти ни материя, ни энергия – даже свет.  Ничего особенно экзотичного тут нет. Если взять Солнце как оно есть, и сжать его до нескольких километров в диаметре, вы получите именно чёрную дыру. Хотя Солнцу не 1 Торн К.С. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.: Физматлит. 2007. С. 83. грозит   опасность   такого   превращения,   существуют   звёзды,   которые   именно   так   и превратятся в чёрные дыры.  Самые массивные звёзды Вселенной – звёзды с массой, превышающей солнечную, в двадцать, сорок, сто или даже 260 раз – самые голубые, горячие и яркие объекты. Также они быстрее всех сжигают ядерное топливо в своём ядре: всего лишь за один­два миллиона лет вместо миллиардов, как это делает Солнце.  Когда у звезды кончается горючее, ядра атомов внутри неё подвергаются огромному гравитационному давлению: настолько сильному, что без ответного давления излучения, возникающего   во   время   ядерного   синтеза,   они   схлопываются.   В   менее   экстремальных ситуациях в ядрах и электронах скапливается столько энергии, что в результате синтеза они   превращаются   в   связанную   массу   нейтронов.   Если   масса   ядра   в   несколько   раз превышает массу Солнца, эти нейтроны получаются настолько плотными и массивными, что также коллапсируют и превращаются в чёрную дыру.  В   наше   время,   задействовав   для   наблюдения   орбитальные   телескопы,   ученые установили   интересные   факты.   Как   оказалось,   черные   дыры   делятся   на   два   вида.   К первому из них относятся массивные объекты, размеры которых составляют порядка трех масс   нашего   светила.   Ко   второму   же   –   так   называемые   сверхмассивные   (размером   от миллиона   до   миллиарда   масс   Солнца). Сейчас   специалистами   зафиксировано местоположение около 20 массивных и около 200 сверхмассивных черных дыр. Кроме того, было установлено еще около 220 мест, в которых, вероятно, могут находиться эти объекты. «Главная загадка Вселенной» не перестает подкидывать исследователям информацию к   размышлению.   Так,   немало   вопросов   возникает   в   связи   с   открытием   маленьких,   но сверхмассивных черных дыр. К примеру, объект, находящийся в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, любопытен тем, что, вопреки математическим расчетам, излучает в рентгене на удивление интенсивно. Эта черная дыра является столь же мощной, как   и   ее   особо   крупные   «родственники»   в   центрах   других   галактик.   А   ведь   данная «невидимка» тяжелей Солнца «всего» в 50 000 раз, тогда как обычные сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивней нашего светила. Наличие небольших по размерам, но особенно мощных «загадок Вселенной» может объяснить свойства одного из типов активных галактик. Считается, что в их центре есть «невидимки»; такие галактики менее ярки, чем квазары, но испускают большое количество рентгеновских лучей. Рис.   2.  Внутренняя   область   аккреционного   диска   вокруг   черной   дыры   с пронизывающими ее магнитными силовыми линиями. Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все   звезды   вместе   взятые.   При   этом   многие   из   подобных   объектов   предположительно сформировались   относительно   недавно;   исследователи   считают,   что   по   крайней   мере 15 процентов всех сверхмассивных черных дыр возникло, когда возраст Вселенной был вполовину меньше. В настоящий момент «невидимки» также продолжают расти. В последние два­три года   стало   ясно,   что   Вселенная   не   только   расширяется,   но   и   делает   это   с   довольно приличным   ускорением.   Его   обеспечивают   огромные   невидимые   массы   материи. Загадочные «белые пятна» мироздания производят 30 процентов энергии, за счет которой происходит расширение. А вот откуда берутся еще 70 процентов – пока неизвестно (ученые называют эту часть «темной энергией Вселенной»). Массы   загадочных   объектов,   которые   образуются   в   результате   коллапса   газовых облаков,   от   миллионов   до   миллиардов   раз   превышают   массы   звезд.   Размеры   таких «островов мрака» сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. При этом, по мнению астрономов,   сверхмассивные   черные   дыры   содержатся   в   центре   большинства   галактик. Наша   с   вами   тоже   не   является   исключением   из   общего   правила.   Причем   недавние наблюдения супермассивных «невидимок», вращающихся друг вокруг друга в центре NGC 6240 (в  созвездии  Змееносца),  позволили  предположить:  в  случае  слияния   галактик  их черные дыры также подвергаются объединению. На завершение такого процесса уходит несколько сот миллиардов лет. По   сути,   черные   дыры   являются   неизученными   элементами   нашей   Вселенной, своеобразными   «белыми   пятнами».   Но   тем   не   менее,   современная   физика   фактически требует, чтобы это явление существовало. Причем в достаточном количестве. И таких активных галактических источников в самом деле на удивление много. В рентгеновском диапазоне   мы   видим   в   10   раз   больше   галактик,   чем   при   самых   детальных   оптических обзорах! Итак,   оказалось,   что   данное   явление   во   Вселенной   достаточно   распространено. Поэтому в последнее десятилетие возникло новое перспективное научное направление – демография   черных   дыр.   Оно   изучает   распределение   этих   загадочных   объектов   в пространстве и взаимодействие их с другими материальными объектами. Особое внимание изучению черных дыр уделяет Стивен Хокинг – человек, которого называют   «самым   загадочным   ученым   современности».   Он,   кстати,   возглавляет   в Кембридже   ту   кафедру,   которую   в   свое   время   занимал   Исаак   Ньютон.   Тут   следует упомянуть, что этот блестящий британский физик, имеющий 12 ученых степеней, лауреат Нобелевской премии (1998 года) и Ордена почета, член Королевского научного общества Великобритании и Национальной академии наук США, уже почти четверть века страдает редкой   формой   атрофического   склероза,   превратившей   его   в   калеку.   Передвигается Хокинг только благодаря инвалидной коляске с электромотором, лекции в университете читает при помощи электронного синтезатора голоса (его собственную невнятную речь понимают только близкие профессора – его жена и трое детей). Контакт ученого с внешней средой   обеспечивает   уникальный   компьютер,   которым   этот   человек­уникум   управляет единственным действующим пальцем левой руки. На основании многолетней работы Хокинг сделал вывод: квантовое испарение черных дыр   неизбежно2.   А   это   означает,   что   данные   объекты   умирают.   Интересна   попытка соотнести размеры и массу удивительных «белых пятен» мироздания. В частности, расчеты британского   ученого   показали:   черная   дыра   весом   в один   миллиард   тонн   (масса   горы) имела   бы…   размер   нейтрона   или   протона.   Кстати,   профессор   убежден,   что   время формирования   загадочных   «невидимок»   превосходит   время   жизни   самой   Вселенной! 2 Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. – М.: АСТ. 2017. С. 87 Правда, квантовой теории черных дыр покуда не существует, а это значит, что процессы, на которые указал Стивен Хокинг, в настоящее время понять в полной мере невозможно. Пристальное внимание ученых к проблеме существования «невидимок» объясняется весьма   вескими   причинами.   Относительно   недавно   американский   телескоп   «Хаббл» зафиксировал интересный, но не слишком приятный факт: черная дыра GROJ 1655­40 из созвездия   Скорпиона   прямиком   направляется   к   нашему   Солнцу.   Неведомый   монстр находится, безусловно, далековато от нас – на расстоянии в 6000 световых лет. Однако повод для беспокойства есть. Скорость данного объекта внушает уважение: она составляет 40 000 километров в час! По ходу своего движения черная дыра «съедает» звезды. Видимо, это же произойдет в далеко не светлом будущем и с нашим собственным Солнцем. А покуда ученые пытаются разобраться, что же представляет собой данная напасть. Стивен Хокинг, летом 2004 года заявил, что полностью раскрыл тайну черных дыр – главную   загадку   космоса.   Для   этого   астрофизик   объединил   теорию   относительности   и квантовую механику в единую теорию. Хокинг утверждает, что черные дыры отнюдь не являются огромными «братскими могилами» звезд, некой «всепоглощающей» субстанцией. Еще   в   1970­х   годах   ученый   доказал,   что   обмен   энергией   между   данным   объектом   и внешним   пространством   вполне   возможен.   Черные   дыры   –   «место,   где   разрушается классическая   концепция   пространства   и   времени   так   же,   как   и   все   известные   законы физики»   –   вовсе   не   конец   мироздания.   Они   исторгают   лучевые   потоки   и   являются рядовыми эволюционирующими объектами. Рис. 3. Оптическое искажение аккреционного диска вокруг чёрной дыры. Однако   данное   открытие   вызвало   парадокс:   британский   профессор   уверял,   что энергия, поступающая из черной дыры, не содержит никакой «информации» о поглощенной материи. Тогда после испарения «невидимки» от нее не остается и следа, следовательно, не остается и никакой информации. А это противоречит всем законами квантовой механики. Разрешить этот парадокс Стивен Хокинг старался на протяжении 30 лет. Теперь   профессор   полагает,   что   загадочные   «белые   пятна»   все   же   позволяют информации   выходить   наружу;   в таком   случае   падение   в   черную   дыру   –   «это   не путешествие с билетом в один конец». По теории Хокинга, «невидимки» не имеют ясно очерченного   горизонта   событий,   который   скрывает   все   в   них   от   внешнего   мира,   и   не уничтожают падающие тела полностью и без следа. Вместо этого жертвы гравитационной ловушки   продолжают   излучать   энергию   в   течение   длительных   периодов   времени,   пока «черная   дыра   только   формируется».   «Но   позже   горизонт   открывается   и   выпускает информацию относительно того, что упало внутрь, так что мы можем проверить прошлое и можем предсказывать будущее», – уверяет ученый. Правда, следующее его заявление сразу же разочаровало любителей научной фантастики: «Если вы попадаете в черную дыру, ваша масса­энергия будет возвращена в нашу Вселенную, но в изуродованном виде». Кстати, загадочные «невидимки», как оказалось, способны «петь»! То есть от них исходят звуковые волны. К примеру, подобный объект из созвездия Персея (около 250 миллионов   световых   лет   от   Земли)   постоянно   «мурлычет»   ноту,   соответствующую   си­ бемоль,   причем   на   57   октав   ниже   первой   октавы.   Что   это?   Свидетельство   процесса, благодаря  которому  пылевое  облако,  окружающее  черную  дыру,  раскаляется?  Видимо, так.   Но   все   же   воображение   рисует   картину,   весьма   далекую   от   науки:   прослушав очередную   порцию   предположений   и   догадок   относительно   собственной   персоны, грандиозный «невидимка» продолжает иронично подсмеиваться над учеными, напевая себе под нос нехитрую песенку Времени. Новейшие   исследования   пульсаров   и   квазаров,   а   также   открытие   реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к Чёрной дыре и скорее всего   будет   поглощено   ей,   наблюдения   за   уникальным   процессом   даст   огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр. Список литературы: 1. Торн К.С. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.:  Физматлит. 2007. 2. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. – М.: АСТ. 2017.