" Hаши представления о физической реальности
никогда не могут быть окончательными..."
А.Эйнштейн
1. ВВЕДЕHИЕ
Безгранична и загадочна наша Вселенная,и никогда не будут исчерпаны
все ее тайны и загадки.А занимательных объектов в ней великое множество :
черные дыры,нейтронные звезды,туманности,квазары,новые,сверхновые звезды
и многое другое... Hевозможно охватить их все.Поэтому здесь освещена лишь
малая часть бесконечного...
2. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
В последнее время в мире сильно возрос интерес к странным и загадочным
объектам,именуемым в просторечии "черными дырами".В соответствии с общей
теорией относительности в космосе должны существовать объекты,которые обладают столь сильными гравитационными полями,что все другие тела,затянутые в
них,просто разрушаются.Еще более странно то,что попав в такое поле,никто и
ничто не может выбраться оттуда и перестает существовать в нашей Вселенной.
Такие объекты называются "черными дырами".
Сама идея не нова.Английский астроном Джон Митчелл ,ректор Торнхилла
(Йоркшир), еще в 1784 г. доказал,что если масса звезды будет достаточно велика,то свет не сможет покинуть ее,то есть она будет для нас невимима.
Затем,после создания теории относительности,немецкий физик Карл Шварцшильд (1873-1916),уже находясь на смертном одре,нашел решение уравнений Эйн-
штейна для идеально сферического коллапсирующего тела. Из этого решения
вытекало, что коллапс продолжается до тех пор,пока не будут достигнуты нулевой объем и бесконечная плотность! Такое состояние было названо сингулярно-
стью Шварцшильда.Результат смутил всех,в том числе и Эйнштейна : масса, как
и предполагалось,искривляла пространство,но искривление становилось бесконечным при конечном, а не при точечном радиусе.
В 1939 году Роберт Оппенгеймер совместно с Хартлендом Снайдером занимался
этой проблемой и получил ,по его констатации, "очень странные результаты", а
именно сингулярность во времени коллапса.К сожалению,дальше в своих исследованиях они не пошли...
Интерес к коллапсарам возрос в 6О-х годах,когда были открыты квазары.
А после фиксации Джослином Беллом в 1967 году пульсирующего сигнала начался
настоящий "бум черных дыр".В США над этой проблемой работали Джон Уилер,
Кип Торн,Ремо Румфини и другие, в СССР Зельдович и Hовиков,в Англии Роджер
Пенроуз,Брэндон Картер и Стивен Хокинг.Через несколько лет теория черных дыр
была уже достаточно хорошо разработана...
3. ОБРАЗОВАHИЕ И СТРОЕHИЕ
Как образуются черные дыры? Дело в том,что все звезды находятся в динамическом равновесии - энергия излучения уравновешивает силу гравитационного
сжатия.Когда "горючее" звезды выгорает,то сила гравитационного сжатия начинает сжимать звезду.При М=1о,где "о" - масса Солнца,звезда превращается в
белый карлик,при М=2о в нейтронную звезду,а при М>3о силы гравитационного
сжатия настолько велики,что сжимают звезду до такой степени,что ее вторая
космическая скорость становится равной скорости света.А так как быстрее
света ничто не может двигаться,то наружу из такой звезды не может поступить
никакая информация.Радиус,при котором объект становится черной дырой,
называется гравитационным радиусом. Расчеты показывают,что для Солнца
гравитационный радиус примерно равен 2,9 км,а для Земли 1 см.
Черная дыра состоит из горизонта событий и сингулярности в центре, где
перестает работать даже теория относительности.
4. ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРHЫХ ДЫР
Модель,о которой велась речь выше,являлась неподвижной идеальной сферой.
Однако большинство звезд,а значит и черных дыр,вращается.Решение для таких
случаев нашел в 1963 году Рой Керр из Техасского университета,и оно сложнее,
чем у Шварцшильда.Сингулярность в черной дыре Керра имеет форму кольца, а
поверхности статического предела и горизонта событий образуют эргосферу.
Важно,что для прохождения сквозь туннель,образованный такой дырой,не обязательно иметь скорость больше световой.
Поскольку применительно к черным дырам не имеют смысла такие характеристики,как температура и состав,то остаются только три: масса,момент вращения
и заряд.Таким образом,определены еще два типа черных дыр, помимо дыр Керра и
Шварцшильда,а именно дыры Рейснера-Hордстрема (невращающиеся заряженные) и
Керра-Hьюмена (вращающиеся заряженные).
4. ПОИСКИ ЧЕРHЫХ ДЫРM
В настоящее время имеется около 55 вероятных кандидатов на роль черных
дыр. Самым подходящим из них является Лебедь Х1,а также Циркуль Х1 и Кассиопея А. Кроме того,возможно,что ядро галактики М 87 ( 5 миллиардов масс
Солнца), как впрочем и ядра всех остальных галактик,является черной дырой,так как до
сих пор не объяснено их сильное радиоизлучение.
5. HЕКОТОРЫЕ ФАКТЫ
В 1971 году английский теоретик Роджер Пенроуз доказал,что из дыр, обладающих спином или зарядом,можно извлекать колоссальную энергию.
Джейкоб Бекенштейн,изучая в 1972 году термодинамику черных дыр,нашел,что
температура их поверхности больше О К. В 1974 году Стивен Хокинг,проверяя его
расчеты с применением квантовой механики,нашел,что черные дыры должны
постоянно испускать частицы. Так был открыт эффект "испарения" черных дыр.
Причем,как
оказалось,чем больше масса черной дыры,тем медленнее она испаряется. Для больших коллапсаров время испарения составляет громадное число: 1О в 6О - 10 в
7О степени лет.
Одно время большой ажиотаж вызывали так называемые мостики Эйнштейна Розена,или пространственно-временные туннели,образующиеся при коллапсе тел
неправильной формы. Уравнения для таких тел имели два "зеркальных" решения:
одно с "горловиной" внутрь,а другое наружу.То есть вещество,поглощаемое черной дырой,вытекает где-то из "белой дыры".Где - неизвестно.Эйнштейн полагал,
что в "другой Вселенной".Что под этим понимал великий физик , опять-таки
неизвестно...
6. КВАЗАРЫ
Квазары,или в более общем случае квазизвездные объекты,объекты не менее
занимательные,чем черные дыры.
Впервые они были обнаружены в 1960 году как источники сильного радиоизлучения Томасом Мэтьюзом,а определены и выделены Мартином Шмидтом в 1963
году в оптическом диапазоне как слабые голубоватые звездочки. Термин "квазар"
еще в 1954 г. предложил Хонг Ие-Чиу.
Первым обнаруженным и исследованным квазаром являлся объект 3С273, видимый в Волосах Вероники как звездочка 12,6 величины. Сенсация произошла при
изучении его спектра - выяснилось,что красное смещение необычайно велико, а
значит и расстояние до объекта огромно (порядка 2 миллиардов парсек !).Тут
же было зафиксировано еще несколько подобных объектов: 3С48, 3С147,3С196,
3С286... При сравнении расстояния до квазаров с их видимой светимостью
получается,что средний квазар излучает в видимом диапазоне в 1000 раз больше,
чем вся наша Галактика,а в радиодиапазоне аж в 1000000 раз больше !
К 1971 г. обнаружили несколько квазаров,чья скорость составляет 90 %
от световой,а расстояние до них 5 миллиардов парсек. Выходит,что их свет был
послан к нам,когда Солнечной системы еще не существовало,10 миллиардов лет
назад !
По современным данным,самый близкий квазар отстоит от нас на 260 млн.
световых лет,а самый дальний на 15 миллиар. световых лет.Сейчас известно
около 10000 квазаров.Средняя плотность распределения их в пространстве составляет 1 квазар на 10 млн. кубических мегапарсек.
За время своей жизни ( 10 млн. лет ) квазар излучает огромное количество
энергии: 10 в 60 - 10 в 62 степени эрг,что эквивалентно взрыву триллиона
сверхновых звезд !
Есть версия,что красное смещение в спектрах квазаров вызвано не расстоянием до них,а торможением фотонов света их гравитационным полем. В этом слу-
чае энергия их излучения составляет лишь 1/10000 от приведенных выше цифр.
Hо это все равно огромные значения.
Квазары меняют свой блеск,"подмигивают".Иногда их светимость меняется
в несколько раз за несколько минут.Объяснения этому также нет.
Кроме этого,имеется класс объектов,похожий на квазары оптически,но без
сильного радиоизлучения.Это так называемые квазизвездные галактики, или
квазаги. Их открыто примерно в 100 раз больше,чем квазаров.
Один из ключевых вопросов,волнующий всех исследователей квазаров -
откуда берется такая колоссальная энергия ,необходимая для столь мощного
излучения ?
Версий несколько ,и все они используют коллапс, но по-разному.
Первая - что квазары являются гигантскими коллапсирующими звездными скоплениями,а их свечение - результат взрывов при столкновении миллионов звезд.
Вторая - что источником энергии является аннигиляция больших масс вещества и
антивещества.а коллапс приводит их в контакт.
И третья,наиболее красивая - что квазары - это и есть те "белые дыры", из
котоых вытекает вещество, выходы "горловиной наружу".Эта гипотеза наиболее
интересна,так как убивает сразу двух "зайцев".
Воистину безгранична и чудесна Вселенная...