распечатать

ЗА ГОРИЗОНТОМ СОБЫТИЙ

Черные дыры - одни из самых необычных и загадочных объектов во Вселенной, но существуют ли они? Если черные дыры действительно есть, то каковы их свойства? Как они вписываются в общую теорию относительности Эйнштейна?

Астрономии выпала честь попытаться открыть черные дыры. Однако предлагается ряд теорий, отвергающих саму возможность существования таких объектов, что делает их поиск еще более интригующим и интересным.

Забегая вперед, можно сказать, что уже открыто около двухсот массивных и чрезвычайно компактных объектов, свойства которых очень похожи на предсказываемые общей теорией относительности в ее стандартном варианте свойства черных дыр. Поэтому астрономы набрались смелости и называют этих "кандидатов" просто черными дырами, хотя и с некоторой натяжкой. Теперь перед ними стоит задача получить неоспоримые доказательства их присутствия во Вселенной, открыть конкретные экземпляры, измерить массы и размеры, выявить свойства и сопоставить их с предсказаниями общей теории относительности.

Темные звезды

Излучение небесного тела с плотностью Земли и поперечником в 250 диаметров Солнца не способно преодолеть тяготение светила и достичь удаленного наблюдателя. Таким образом, возможно, самые большие и массивные светящиеся объекты во Вселенной остаются невидимыми именно из-за своей величины.

Первое предположение о существовании темных звезд было высказано в конце XVII в., вскоре после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Спустя столетие английский математик Джон Митчел и французский астроном Пьер Симон Лаплас независимо друг от друга выдвинули гипотезу, согласно которой гравитация может быть настолько сильной, что кванты света не могут вырваться из поля тяготения и звезда становится темной. До теории электромагнитных волн оставалось еще более века, и в физике господствовала теория Ньютона, согласно которой свет - это корпускулярный поток.

Чтобы тело (например, частица света) могло покинуть астрономический объект (планету или звезду), оно должно двигаться с так называемой скоростью убегания (второй космической скоростью). Ее можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убегающего" в бесконечность. Несмотря на то что Митчел и Лаплас использовали неверные формулы

Таким образом, звезда, сжатая в сферу радиусом ,

rg < или =	2GM
	c2

перестанет излучать, и во Вселенной возникнет черная дыра.

Гравитационный радиус - важнейшая характеристика черной дыры. Для Земли его величина составляет примерно 9 мм, для Солнца - 3 км, для черной дыры типичной звездной массы (10 масс Солнца) - 30 км, а для сверхмассивной черной дыры в ядре галактики (2 млрд. масс Солнца) - 40 астрономических единиц, что примерно соответствует расстоянию от Солнца до Плутона, т.е. размеру Солнечной системы.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать гигантскую звезду до столь ничтожных размеров. Лаплас определял черную дыру как объект, у которого вторая космическая скорость равна скорости света, т.е. даже свет не может вырваться за ее пределы. Но тогда не было предсказано замедление хода времени вблизи горизонта событий и не было известно, что скорость света является предельной. Сейчас представление о черных дырах гораздо глубже, чем сформированное 200 лет назад Митчелом и Лапласом.

Сегодня черной дырой принято называть область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильное, что даже свет не может покинуть ее. Строгое математическое доказательство возможности существования таких областей было получено в начале ХХ в. немецким астрономом Карлом Шварцшильдом, который проанализировал уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Составив уравнение движения частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу, что оно теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r=0 и r=rg. Точки, в которых характеристики поля становятся бессмысленными, называются сингулярными, т.е. особыми. Сингулярность в центре черной дыры (центральная сингулярность) отражает точечную, или, как ее еще называют, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А сфера радиусом rg является той самой поверхностью, скорость убегания с которой равна скорости света. Она именуется сингулярной сферой Шварцшильда или горизонтом событий.

Горизонт событий

Одна из главных особенностей черной дыры, предсказанных общей теорией относительности, - наличие горизонта событий, ее физической границы, за пределы которой не может уйти ни один световой луч.

Когда вы плывете на пароходе, из-за горизонта появляются сначала мачты кораблей и лишь потом сами суда; по мере приближения к берегу сначала показываются горы, а затем береговая линия. Таким образом, горизонт - это воображаемая линия, которая перемещается вместе с наблюдателем. Аналогично и горизонт событий не существует как материальная граница, но с учетом замедления времени он становится весьма заметным. Радиус горизонта событий невращающейся черной дыры совпадает с гравитационным. У вращающихся черных дыр радиус горизонта событий меньше за счет центробежных сил и эффектов вращения. Горизонт событий погружен внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела непрерывно движутся, подхваченные вихревым гравитационным полем.

Согласно общей теории относительности, течение времени зависит от свойств пространства-времени в данной точке. С точки зрения удаленного наблюдателя, на горизонте событий время стоит на месте. Со стороны мы никогда не увидим, как космический корабль, устремляющийся к черной дыре, пересекает горизонт событий: приближаясь к сфере Шварцшильда, он будет непрерывно замедляться и практически остановится.

Однако если мы сами сядем в космический корабль, то за конечное время сможем проникнуть за горизонт событий, хотя и не заметим этого. Точно так же пассажиры сверхзвукового самолета не ощущают, что преодолели звуковой барьер и начали двигаться со скоростью звука. Зато наземный наблюдатель непременно это заметит, так как почувствует ударную волну и увидит в небе белый след.

За горизонтом событий мы, вероятно, обнаружим центральную сингулярность, увидим другую Вселенную и даже свое будущее. Дело в том, что внутри черной дыры, с точки зрения, далекого наблюдателя пространственная и временная координаты меняются местами, и путешествие в пространстве превращается в путешествие во времени. С точки зрения внешнего наблюдателя, движение горизонта событий определяется не прошлым, а будущим, которое влияет только на горизонт событий, окрестности черной дыры и ее внутреннюю область. Поэтому все, что происходит за горизонтом событий, недоступно для наблюдения извне, и о внутренностях черной дыры можно судить только по ее внешнему гравитационному полю, которое на больших расстояниях полностью совпадает с ньютоновским. Если космонавты выживут, оказавшись внутри сферы Шварцшильда, то все равно ничего не смогут поведать о ее содержимом внешнему миру, поскольку нельзя послать сигнал со скоростью, превышающей скорость света.

Горизонт событий - это область гравитационного поля очень высокой энергии, где наблюдается искривление пространства-времени и отсутствует статичность. С точки зрения удаленного наблюдателя, он формируется бесконечно долго. Поэтому современные сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся несколько миллионов и даже миллиардов лет назад, стопроцентными черными дырами на самом деле не являются. С точки зрения далекого наблюдателя, они находятся в асимптотическом состоянии, сжимаясь и бесконечно долго приближаясь к горизонту событий. Академик Я.Б. Зельдович называл их застывшими, или коллапсирующими, звездами. В своей системе отсчета они коллапсируют за конечное время, а в нашей - бесконечно долго.

Методы наблюдения

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому их существование часто ставится под сомнение. Забегая вперед, отметим, что согласно результатам современных наблюдений черные дыры скорее всего действительно существуют. Чтобы это доказать, необходимо достоверно зафиксировать специфичные для них эффекты. Прежде всего речь идет о горизонте событий. По характеру движения плазмы вблизи него можно судить о метрике окружающего пространства-времени (т.е. о связи между временем и пространством), которая может соответствовать либо черной дыре, либо какому-то другому экзотическому объекту.

Разглядеть окрестности черных дыр ученым помогут новейшие сверхточные телескопы. В ближайшие 10 лет американские исследователи собираются запустить на околоземную орбиту рентгеновский интерферометр с разрешением 10 -7 угловой секунды. Проекты "Миллиметрон" и "Субмиллиметрон" предусматривают создание международной космической обсерватории - интерферометра "космос-Земля-космос" для проведения астрономических исследований в миллиметровом, субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах с предельно высокой чувствительностью и высочайшим угловым разрешением. Космический телескоп с 12-метровым зеркалом будет эквивалентен наземному радиотелескопу сантиметрового диапазона со сплошной апертурой диаметром 3 км, а в интерферометрическом режиме позволит добиться углового разрешения, в тысячи раз превышающего разрешение интерферометра с предельной наземной базой. Таким образом, более 10 млрд. небесных источников излучения станут доступными для исследований.

В рамках Федеральной космической программы России Астрокосмический центр (АКЦ) под руководством академика РАН Н.С. Кардашева разрабатывает наземно-космический радиоинтерферометр "Радиоастрон", в состав которого войдет орбитальный аппарат "Спектр-Р" для астрофизических наблюдений с угловым разрешением до 3.10-5 угловых секунд. На орбите будет развернута 10-метровая параболическая антенна из композиционного материала, а в качестве наземной части планируется использовать радиотелескопы глобальной сети с диаметрами антенн от 20 до 100 м. Космический радиотелескоп будет выведен на орбиту ракетой-носителем "Протон" в ближайшие два-три года.

Существует наименьшая устойчивая орбита, находясь на которой, вещество, не достигшее горизонта событий, движется около черной дыры в состоянии свободного падения. В случае невращающейся черной дыры радиус этой орбиты в три раза больше гравитационного. Космические рентгеновские интерферометры и радиоинтерферометры позволят астрономам увидеть горячую плазму, обращающуюся вокруг черной дыры, и непосредственно измерить гравитационный радиус последней. Более того, из-за неустойчивости вещество должно выпадать на черную дыру в виде капель, постепенно гаснущих и уходящих за горизонт событий. Если же горизонта нет, а есть лишь какая-то поверхность, то при столкновении с нею плазмы будут наблюдаться вспышки излучения. Таким образом, прямые наблюдения с помощью космических интерферометров позволят доказать наличие горизонта событий у черных дыр, существование которых будет тем самым окончательно доказано.

Иногда черную дыру удается обнаружить по порожденному ею рентгеновскому излучению. Академик Я.Б. Зельдович рассмотрел ситуацию, когда возле черной дыры оказывается нормальная звезда, образующая с ней двойную систему. Оказалось, что в этом случае вещество, истекающее из звезды, будет падать на черную дыру. При этом наружу будет выбрасываться энергия в виде мощного потока рентгеновских лучей. Именно такова природа рентгеновского источника "Лебедь Х-1", состоящего из двух звезд: голубого гиганта с массой в 20 раз больше солнечной и черной дыры в 10 раз тяжелее Солнца.

Доказательства существования черных дыр можно получить при помощи гравитационно-волновых антенн. При столкновении двух черных дыр, образующих двойную систему, должны наблюдаться переменность гравитационного поля и излучение гравитационных волн. По характеру последних можно будет определить, что столкнулись две черные дыры, а не две нейтронные звезды. Иными словами, уже есть возможность получить прямое подтверждение той или иной модели черной дыры и теории гравитации.

Астрономические весы

Если масса ядра звезды в конце эволюции больше трех масс Солнца, то оно будет неограниченно сжиматься (коллапсировать) и может превратиться в черную дыру. Более легкие звездные ядра со временем становятся нейтронными звездами, а совсем крошечные - белыми карликами. Поэтому исследователи должны доказать, что кандидаты в черные дыры по крайней мере в три раза тяжелее Солнца.

Наблюдать черные дыры в телескоп мы пока не можем, но измерить их массы по движению в двойных системах вполне реально. Рассмотрим, к примеру, пару, состоящую из черной дыры и обычной оптической звезды типа нашего Солнца. Последнюю мы можем изучать с Земли с помощью телескопа, а по характеру ее движения нам удастся измерить массу черной дыры.

Оптическая звезда в двойной системе не только позволяет измерить массу своей партнерши, но также служит своеобразным донором, поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду или черную дыру). Приливно деформируясь в гравитационном поле черной дыры, она испускает вещество, образующее вокруг черной дыры вращающийся аккреционный диск, во внутренних областях которого достигаются скорости, близкие к скорости света. Здесь плазма разогревается до десятков миллионов градусов и излучает в жестком рентгеновском диапазоне. Теоретическое предсказание мощного энерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 г. Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. А в начале 70-х гг. в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д. Новикова и К.С. Торна была развита теория дисковой аккреции вещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе.

Земная атмосфера непрозрачна для рентгеновского излучения, поэтому рентгеновские телескопы приходится выводить за ее пределы. Сегодня астрономы могут наблюдать аккрецирующие черные дыры, а точнее, ореолы движущейся вблизи них горячей плазмы. С бортов специализированных спутников открыты тысячи компактных рентгеновских источников, большинство из которых представляют собой тесные двойные системы, состоящие из обычной оптической звезды и релятивистского объекта в режиме аккреции вещества. Космические и наземные наблюдения прекрасно дополняют друг друга: наличие мощного рентгеновского источника (со светимостью, в сотни тысяч раз превышающей болометрическую светимость Солнца) указывает на присутствие в двойной системе массивного объекта малых размеров (меньше Земли), массу которого определяют по результатам спектральных и фотометрических наблюдений оптического соседа. Если релятивистское тело как минимум в три раза тяжелее Солнца, его можно считать кандидатом в черные дыры. На сегодня количество таких объектов в двойных системах с надежно измеренными массами достигло примерно двух десятков и будет возрастать с развитием рентгеновской и оптической астрономии.

Масса сверхмассивных черных дыр определяется по движению близлежащих газовых облаков и звезд. Она в миллионы и миллиарды раз превышает солнечную массу и составляет порядка одной тысячной от массы галактики, делая сверхмассивные черные дыры объектами совершенно особого класса. Их размеры оцениваются по переменности излучения, или по профилям рентгеновских линий спектра. Результаты наблюдений говорят о том, что радиус сверхмассивных черных дыр не превышает 10-100 гравитационных. Одна из них находится в ядре нашей Галактики и весит в 4 млн. раз больше Солнца.

Дырявая Вселенная

Итак, гипотеза о существовании черных дыр со свойствами, предсказанными общей теорией относительности, находит все больше экспериментальных подтверждений. Если предположения и догадки на этот счет сменятся полной уверенностью, то уже роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем кажется сегодня.

Исследование черных дыр - это возможность еще раз взглянуть на горизонт современной науки, которая расширяет наши представления о времени и пространстве. Изучая предельные состояния материи, когда пространство и время переплетаются необычайным образом, мы познаем самые фундаментальные свойства нашего мира. Наблюдение за столь загадочными звездными объектами приближает нас к разгадке тайны рождения Вселенной и возникновения жизни на Земле.