Реферат: Черные дыры

Изложены новейшие данные поопределению масс черных дыр в рентгеновских двойных звездных системах. Кнастоящему времени известно 10 рентгеновских двойных систем, содержащихмассивные (с массой более трехсолнечных)рентгеновские источники — кандидаты в черные дыры. Замечательно, что ни уодного из них не наблюдается феноменов рентгеновского пульсара илирентгеновского барстера I типа.

Как известно, черной дыройназывается область пространства-времени, в которой гравитационное поленастолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит,если размеры тела меньше его гравитационного радиуса где G — постояннаятяготения, c — скорость света, М — масса тела.Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли — около 9 мм.

Общая теория относительности А.Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее- наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событийсовпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателяход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, сточки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, абудет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходитпод горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит.Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий,но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этомкосмонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную,и даже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственнаяи временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесьзаменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойствавращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погруженон внутрь эргосферы — области пространства-времени, вкоторой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационнымполем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дырмногим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр вприроде часто ставится под сомнение. Однако, забегая вперед, отметим, что,согласно новейшим наблюдательным данным, черные дыры действительно существуют иим присущи удивительные свойства.

КАКОБРАЗУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Известно, что если масса ядразвезды, претерпевшего изменения химического состава из-за термоядерных реакцийи состоящего в основном из элементов группы железа, превышает 1,4 солнечноймассы M, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюциизвезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в результате которого внешняяоболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, чтоприводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированиюнейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействуетградиент давления вырожденного нейтронного вещества. Огромные силы давлениявырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны обладаютполуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данномэнергетическом состоянии может находиться только один нейтрон.

При сжатии ядра звезды на позднейстадии эволюции температура поднимается до гигантских значений — порядкамиллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны.Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны и испускают нейтрино.Нейтроны же, согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему имнаходиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективноотталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше3M скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества,обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, можетуравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронныхзвезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3M)скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновеситьсилы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда, остываяколлапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру. Посколькупри образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до 10 км, изусловия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтроннойзвезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины — порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотностьвещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошо известные радиопульсары ирентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причемчисло известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются какисточники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано спереработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучениечерез посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят засчет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: сильное магнитноеполе нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкиваетсяс поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температурв десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновскихквантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращениянейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками)при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, тоэкранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феноменурентгеновского пульсара — строго периодической переменности рентгеновскогоизлучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсациирадио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды естьсильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердаяповерхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекундвремени). У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать неприходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО)Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, черная дыра не имеет нитвердой поверхности, ни сильного магнитного поля.

Для звезд, массы железных ядеркоторых в конце эволюции превышают три солнечных, ОТО предсказываетнеограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры.Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду,определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества,достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическомсантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоячастиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давлениевещества при больших плотностях как бы само «весит»: чем большедавление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации,стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях,согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривленияпространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядразвезды.

Черные дыры с очень большими массами(до миллиардов солнечных масс), по-видимому, существуют в ядрах галактик, и впоследние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных черных дырнаметился существенный прогресс в связи с использованием космического телескопаим. Хаббла и применения методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.Кроме того, теория предсказывает возможность существования первичных черныхдыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Мы ограничимсярассмотрением лишь черных дыр звездной массы, образовавшихся на конечных этапахэволюции массивных (с массами в десятки солнечных) звезд.

МЕТОДЫОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР

Известно, что массу звезды можноизмерить, если она входит в двойную систему. Наблюдая движение звезд — компонент двойной системы и применяя законы Кеплера, вытекающие из законатяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом, поскольку размерыорбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационных радиусов компонент,для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронных звезд и черных дыр вдвойных системах, вполне достаточно использования закона тяготения Ньютона. Мыне рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, где громадная точностьопределения моментов прихода радиоимпульсов позволяет наблюдать релятивистскиеэффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокойточностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековое укорочение орбитальногопериода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.

Оптическая звезда в двойной системеявляется не только пробным телом в гравитационном поле черной дыры, позволяющимизмерить ее массу, но также своеобразным донором, поставляющим вещество насоседний релятивистский объект (нейтронную звезду или черную дыру). Аккрецияэтого вещества на релятивистский объект приводит к разогреву плазмы дотемператур в десятки и сотни миллионов градусов и к появлению мощногорентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощного энерговыделенияпри несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 году Я.Б.Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккреции вещества нарелятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита в начале 70-хгодов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д.Новикова и К.С. Торна.

НОВЕЙШИЕДАННЫЕ

<img src="/cache/referats/17049/image001.jpg" align=«left» v:shapes="_x0000_s1026">Обнаружена одна из ближайших к Солнечнойсистеме черных дыр, которая образовалась в результате старения и последующейгибели звезды класса голубой гигант. И впервые довольно точно удалось вычислитьее орбиту обращения вокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

Черная дыра была обнаруженаблагодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – более малой звезды.

Открытие было сделано в результатенаблюдений радиотелескопов Национального Научного общества (VLBA), объединенныхв систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой вместе со спутникамиприема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательством подтвержденияоткрытия послужили оптические снимки, сделанные на ПаломарскойОбсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры былоизмерено.

Результаты исследований былисообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнала “Природа”.

Объект называется XTE J1118+480 ибыл обнаружен спутником Rossi X- 29 марта 2000 года.Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне показали, что чернаядыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарнуюсистему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируягорячий вращающийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесссопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.

Большинство звезд в нашей Галактике- Млечный Путь, находятся в пределах галактической плоскости. Однако, такжеимеются шаровые звездные скопления, которые содержат сотни тысяч самых старыхзвезд в Галактике, и которые находятся вне плоскости Галактики. XTE J1118+480подобно таким шаровым скоплениям, перемещающимся со скоростью 145 километров всекунду относительно Земли, совершает замысловатые петли вокруг Галактики. Этачерная дыра образовалась в результате смерти массивной звезды, которая поклассу была на уровне голубого гиганта. Такие звезды, когда полностьювыработают свой ресурс, либо взрываются как новые звезды, оставляя после себяядро оболочки в виде нейтронной звезды, либо заканчивают путь “гравитационным хлопком”сжатия, образуя черную дыру.

Эта черная дыра имеет массу, большесолнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться до существующей скорости, ей потребовалсятолчок ускорения, который могла дать только гравитационная сила общей массышарового звездного скопления, из которого она когда-то и была выброшена.

<img src="/cache/referats/17049/image002.jpg" align=«right» v:shapes="_x0000_s1031">Расположенная неподалеку от Млечного Путигалактика Centeurus A имеет в своем центре массивнуючерную дыру. Это удалось установить международной команде астрономов из ЮжнойЕвропейской Обсерватории, проводивших наблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope)в Чили. Измерения позволили определить массу черной дыры — около 200 миллионовмасс Солнца. Галактика Centaurus A, известная такжекак NGC 5128, удалена от Земли на 11 миллионов световых лет. Это один из самыхизученных объектов Вселенной. Как галактика она была каталогизирована в 1847году британским астроном Джоном Гершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованиемвсего набора астрономических инструментов. О том, что в центре галактикинаходится черная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолькомассивна.

<img src="/cache/referats/17049/image004.jpg" align=«left» v:shapes="_x0000_s1032">Дж.Моран

(J.Moran;Астрофизический центр в Кембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что емуудалось обнаружить сверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от насспиральной галактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения, создаваемом молекулами воды газовыхоблаков, которые подвергаются воздействию интенсивной радиации.

Сопоставляя скорость движениякосмических облаков с их расположением, Моранустановил, что они обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобнопланетам вокруг Солнца. По значениям скоростей удалось вычислить массупритягивающего центра: она оказалась близкой к 36 млнМ*! Причем вся эта гигантская масса сосредоточена в области, поперечник которойменее 1 светового года. Такими характеристиками может обладать только чернаядыра.

Источники мазерногоизлучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 внешней периферии диска(или сферы — на этот счет среди астрофизиков нет единого мнения). Однако настоль значительных расстояниях, как в данном случае, наиболее вероятна, пообщему мнению, форма диска. Мазеры располагаются там по S-образной кривой;такой изгиб, считает Моран, вызван давлениемрентгеновского излучения от скопления сверхраскаленногогаза, находящегося в центре данной системы.

Изучение движения мощных мазеровпоможет, по мнению Моргана, поиску свермассивныхчерных дыр. Ближайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судяпо наблюдаемым скоростям мазеров, может находиться черная дыра с массой,превышающей солнечную в 10 млн раз.

Чтовнутри у черной дыры

Чернойдырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то естьповерхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действиягравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на черные дыры (иих внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можемполучить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно ЧЕРНАЯ,то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры неявляется полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующиеизмерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая непосредственнойинформацию оттуда.

Черная дыра (как идея) первоначально появилась в 18 веке благодаря работам Митчеллаи Лапласа как предсказание в ньютоновской теории.Затем уже — как математическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиусагоризонта черной дыры (как у Митчелла и Лапласа) достаточно лишь положитьвторую космическую скорость равной скорости света. Для случае вращающихся изаряженных черных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО.

Существуют или нет черные дыры во Вселенной, или, все-таки, это лишь наша играума и математики — вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятковкандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей).Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие, и Нобелевская премия заоткрытие черных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическомобосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры.Оказывается, что решение гладко продолжается под горизонт и заканчивается вточке, в которой одна из важнейших характеристик пространства — кривизна — становится равной бесконечности (как говорят «расходится»). Такое поведениеи называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работает не толькофизика, но и математика.

Вкакой-то мере исследование сингулярностей можносчитать физичным и в рамках ОТО, особенно в светенедавних результатов о конечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том,что несколько десятилетий назад была сформулирована «гипотеза космическойцензуры», которая утверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярностьможет существовать, лишь закрытая от нас горизонтом, то есть в виде чернойдыры. Так вот, недавно в ходе численного анализа разных сценариевгравитационного коллапса было установлено, что при определенных начальныхусловиях (вполне физических, надо отметить) процесс гравитационного коллапсаможет закончится возникновением «голой» сингулярности. В рамках ОТОаналитического ответа на этот вопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток — она не поддается процедуреквантования, в отличии от теорий остальных физических взаимодействий(электромагнитного, слабого и сильного). Поэтому создаются так называемыетеории суперобъединения, в которые входит не самаОТО, а какой-либо (еще до конца не ясно, какой) вариант эффективной теориигравитации, включающий ОТО. С точки зрения идей квантовой механики, лежащей воснове объединения взаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполнеправомерен, потому что все пространство должно описываться однойхарактеристикой — волновой функцией. В рамках этого нового подхода были открыты(в математическом плане, конечно) новые типы сингулярностей,которых нет в ОТО. Можно выделить характеристики сингулярности, например, поскорости, с которой кривизна расходится. В какой-то мере и горизонт событийчерной дыры можно считать сингулярностью, но не истинной, потому что кривизна вэтом случае конечна (расходится лишь один коэффициент), более того, этусингулярность можно убрать после соответствующего преобразования координат.

Черные дыры сливаются

<img src="/cache/referats/17049/image006.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1028">
 Ученые открыли, что в одной галактике вполнемогут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итогеобязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросамиэнергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушеватьрадиоактивное и гравитационное цунами.
 Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактикизакрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, внадежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивнойчерной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объектаявляются активными черными дырами.

Странствующая пара: черная дыра и ее звезда
(слева — путь через Млечный путь).

Эта галактиканаходится от нас на расстоянии около 400 световых лет — довольно близко покосмическим масштабам и образовалась она в результате столкновения двухгалактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, чтослияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звездырасположены очень редко, они почти не «ощущают» происходящего. Сейчаспока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационновзаимодействуют. Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световыхлет, будет уменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды,что вращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центрагалактики. Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного световогогода, они начнут сливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дырразогреется до таких температур, что начнет излучать радиоактивные волны. Вконце концов поле радиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокругядер, что даст возможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в полевлияния более массивной черной дыры после того, как они сольются.
Ученые также построили компьютерную версию того,что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не виделидвойных черных дыр. Это наводило их на мысли, что такого явления, как двойнаячерная дыра не бывает, что черные дыры сливаются в одну. Недавно они получилидоказательство этого: джеты, испускаемые чернымидырами в объекте, известном под номером NGC 362, сместились. Это говорит о том,что черные дыры в сталкивающихся галактиках «почувствовали»существование друг друга.