Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Реферат на тему: Проблемы чёрных дыр в современной космологии

Содержание:

Введение

Черная дыра - это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни материя, ни излучение не могут покинуть эту область. Для тел, находящихся там, вторая космическая скорость (космическая скорость) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни материя, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Следовательно, ничто не может вылететь из черной дыры. Граница области, за которой не выходит свет, называется горизонтом событий или просто горизонтом черной дыры.

Суть гипотезы образования черных дыр заключается в следующем: если некая масса материи оказывается в относительно небольшом критическом для нее объеме, то под действием сил собственной гравитации такая материя начинается бесконтрольно сокращаться. Происходит своего рода гравитационная катастрофа - гравитационный коллапс. В результате сжатия концентрация вещества увеличивается. Наконец, наступает момент, когда сила тяжести на его поверхности становится настолько большой, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и ни лучи света, ни частицы материи не могут вырваться из замкнутого пространства черной дыры. Излучение черной дыры оказывается заблокированным гравитацией. Черные дыры могут поглощать только радиацию

Чтобы гравитационное поле могло заблокировать излучение, которое создает это поле, масса (M) должна быть сжата до объема с радиусом, меньшим, чем гравитационный радиус r g = 2GM / c 2. По этой причине создать и изучить черную дыру в лаборатории практически невозможно: чтобы тело любой разумной массы (даже миллионы тонн) стало черной дырой, оно должно быть сжато до размера, меньшего, чем размер протон или нейтрон, поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически...

Однако расчеты показывают, что тела астрономических масштабов (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственной гравитации сжиматься до размеров своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется более 40 лет, и теперь можно с большой уверенностью указать несколько весьма вероятных кандидатов в черные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучению препятствуют огромные расстояния от Земли. И хотя сам факт существования черных дыр уже сложно поставить под сомнение, практическое изучение их свойств еще впереди.

История идеи черных дыр

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать настолько массивные звезды, что даже луч света не может покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если звезда с массой Солнца имеет радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он после Ньютона считал корпускулами) не могли улететь далеко от такой звезды.. Следовательно, такая звезда издалека казалась бы совершенно темной. Мичелл представил эту идею на заседании Лондонского королевского общества 27 ноября 1783 года. Так родилась концепция ньютоновской черной дыры.

Та же идея была выражена в своей книге Система мира (1796 г.) французского математика и астронома Пьера Симона Лапласа. Простой расчет позволил ему написать: Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз превышающим диаметр Солнца, не позволяет ни одному лучу света достичь нас из-за своей гравитации; поэтому, возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной окажутся невидимыми по этой причине. Однако масса такой звезды должна быть в десятки миллионов раз больше массы Солнца. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не сильно отличаются от массы Солнца, идея Митчелла и Лапласа о черных дырах была забыта.

На протяжении всего XIX века идея о телах, невидимых из-за их массивности, не вызывала большого интереса у ученых. Это было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света не имеет принципиального значения. Однако в конце XIX - начале XX века было установлено, что законы электродинамики, сформулированные Дж. Максвеллом, с одной стороны, выполняются во всех инерциальных системах отсчета, а с другой - выполняются. не обладают инвариантностью относительно преобразований Галилея. Это означало, что представления о природе перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, сложившиеся в физике, нуждались в значительной корректировке.

В ходе дальнейшего развития электродинамики Г. Лоренц предложил новую систему преобразований координат пространства-времени (известную сегодня как преобразования Лоренца), относительно которой уравнения Максвелла оставались инвариантными. Развивая идеи Лоренца, Пуанкаре предположил, что все другие физические законы также инвариантны относительно этих преобразований.

В 1905 г. А. Эйнштейн использовал концепции Лоренца и Пуанкаре в своей специальной теории относительности (СТО), в которой роль закона преобразования инерциальных систем отсчета окончательно перешла от преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. Затем на смену классической (галилеевской) механике пришла новая, лоренц-инвариантная релятивистская механика. В рамках последнего скорость света оказалась предельной скоростью, которую может развивать физическое тело, что в корне изменило значение черных дыр в теоретической физике.

Однако теория гравитации Ньютона (на которой базировалась первоначальная теория черных дыр) не является лоренц-инвариантной. Следовательно, его нельзя применять к телам, движущимся с околосветовой и световой скоростями. Лишенная этого недостатка, релятивистская теория гравитации была создана в основном Эйнштейном (который окончательно сформулировал ее к концу 1915 г.) и получила название общей теории относительности (ОТО).

Второй раз ученые столкнулись с черными дырами в 1916 году, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений общей теории относительности. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки имеет особенность на расстоянии r g от нее; поэтому величину r g часто называют радиусом Шварцшильда, а соответствующую поверхность (горизонт событий) называют поверхностью Шварцшильда. В следующие полвека усилиями теоретиков удалось выяснить многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но черные дыры еще не рассматривались в качестве реального объекта исследования.

Правда, в 1930-х годах, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность образования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд) как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения ядерного топлива внутри звезды ее ядро может сжаться и превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или в еще более плотную и очень крошечную нейтронную звезду.

В 1934 году европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде, работавшие в США, выдвинули гипотезу, что взрывы сверхновых - это особый тип звездных взрывов, вызванный катастрофическим сжатием ядра звезды. Так родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки выдвинули гипотезу, что при взрыве сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть стабильными, но только с умеренной начальной звездной массой. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то ничто не может остановить ее катастрофический коллапс.

В 1939 году американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод о том, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в очень маленький объект, свойства пространства вокруг которого (если оно не вращается) описываются решением Шварцшильда.. Другими словами, ядро массивной звезды в конце своей эволюции должно быстро сузиться и уйти за горизонт событий, превратившись в черную дыру. Но поскольку такой объект (как тогда говорили, коллапсар или замороженная звезда) не излучает электромагнитных волн, астрономы поняли, что его будет невероятно сложно обнаружить в космосе, и поэтому не стали искать долгое время.

Поскольку ни один носитель информации не может выйти за горизонт событий, внутренняя часть черной дыры не связана причинно с остальной Вселенной, физические процессы, происходящие внутри черной дыры, не могут повлиять на процессы за ее пределами. При этом вещество и излучение, падающие извне на черную дыру, беспрепятственно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выделяет. По этой причине родился термин черная дыра, предложенный в 1967 году американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

Образование черных дыр

Самый очевидный способ образования черной дыры - это коллапс ядра массивной звезды. Пока запасы ядерного топлива внутри звезды не исчерпываются, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т. д., Вплоть до железа в самых массивных звездах). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потери энергии, уходящей от звезды, с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление внутри звезды, предотвращая ее коллапс под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.

Ядро звезды сжимается быстрее всего, при этом оно сильно нагревается (его гравитационная энергия превращается в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В результате звезда теряет свои внешние слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически выброшенной оболочки сверхновой. А судьба сокращающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превышает трехкратной массы Солнца, то она выигрывает битву с гравитацией: ее сжатие будет остановлено давлением вырожденной материи, и звезда превратится в белый карлик или нейтронная звезда. Но если масса ядра звезды больше трех солнечных, то ничто не сможет остановить ее катастрофический коллапс, и она быстро уйдет за горизонт событий, превратившись в черную дыру. Как следует из формулы для r g, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 году их было известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 миллиардов лет существования нашей Галактики, содержащей около 100 миллиардов звезд, в результате коллапса самой массивной из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. Кроме того, черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца) можно найти в ядрах больших галактик, в том числе нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути образования этих гигантских черных дыр не совсем ясны.

Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть только в коллапсирующих ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого началось расширение Вселенной примерно 14 миллиард лет назад повсюду была высокая плотность материи... Поэтому небольшие колебания плотности в ту эпоху могли привести к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малых. Но самые маленькие из них из-за квантовых эффектов должны были испаряться, теряя свою массу в виде потоков излучения и частиц. Изначальные черные дыры массой более 10 12 кг смогли дожить до наших дней. Самый маленький из них, весом 10 12 кг (как маленький астероид), должен иметь размер примерно 10-15 м (как протон или нейтрон).

Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных столкновениях быстрых элементарных частиц. Это одно из предсказаний теории струн - одной из конкурирующих в настоящее время физических теорий строения материи. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от других сил, должна распространяться во всех этих измерениях и, следовательно, значительно увеличиваться на небольших расстояниях. При мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они могут сжиматься достаточно сильно, чтобы создать микроскопическую черную дыру. После этого она почти мгновенно схлопнется (испарится), но наблюдение за этим процессом представляет большой интерес для физики, так как, испаряясь, дыра испускает все типы частиц, существующих в природе. Если гипотеза теории струн верна, то создание таких черных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в мощнейших ускорителях элементарных частиц.

Свойства черных дыр

Вблизи черной дыры сила гравитационного поля настолько велика, что физические процессы в ней можно описать только с помощью релятивистской теории гравитации. Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшая кривизна возникает около черных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считываемые с каких-то физических часов и линейок. Например, молекула с определенной частотой колебаний может играть роль часов, количество которых между двумя событиями можно назвать временным интервалом.

Важно, чтобы гравитация действовала на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки показывают, что пространство растягивается возле черной дыры. Это означает, что черная дыра искажает геометрию пространства и времени вокруг себя. Вдали от черной дыры эта кривизна мала, но рядом с ней настолько велика, что лучи света могут двигаться вокруг нее по кругу. Вдали от черной дыры ее гравитационное поле точно описывается теорией Ньютона для тела той же массы, но вблизи черной дыры гравитация становится намного сильнее, чем предсказывает теория Ньютона.

Если бы можно было наблюдать звезду в телескоп в момент ее превращения в черную дыру, то сначала было бы видно, как звезда сжимается все быстрее и быстрее, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие будет начать замедляться до полной остановки. В этом случае свет, исходящий от звезды, будет ослабевать и краснеть, пока наконец не погаснет. Это происходит потому, что фотоны, преодолевая силу гравитации, теряют энергию, и им требуется все больше и больше времени, чтобы добраться до нас. Когда поверхность звезды достигает гравитационного радиуса, свету, который покидает ее, потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже если он находится относительно близко к звезде (и в этом случае фотоны полностью потеряют свою энергию). Поэтому мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, мы не увидим, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс можно исследовать.

Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается до точки, в которой достигаются бесконечно большие значения плотности и силы тяжести. Эта точка называется сингулярностью. Более того, математический анализ показывает, что если горизонт событий возник, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако все это верно только в том случае, если общая теория относительности применима до очень малых пространственных масштабов, что еще не определено. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации еще не создана. Понятно, что квантовые эффекты не могут остановить коллапс звезды в черную дыру, но они могут предотвратить появление сингулярности.

Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают изучение черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку скрытые свойства гравитации проявляются вблизи черных дыр. Что касается поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях, различные теории гравитации дают почти неразличимые предсказания, но в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий значительно различаются, что дает ключ к выявлению лучших из них. В рамках самой популярной теории гравитации - общей теории относительности Эйнштейна - свойства черных дыр изучены очень подробно. Некоторые из наиболее важных:

Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если дальний наблюдатель бросит зажженный фонарь в сторону черной дыры, он увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, он начнет замедляться, и его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку скорость колебаний всех его атомов и молекул). С точки зрения удаленного наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидимым, никогда не пересекая поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда с фонарем, то за короткое время он бы пересек поверхность Шварцшильда и упал бы в центр черной дыры, раздираемый ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы в притяжении на разных расстояниях. от центра.
Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, угловой момент (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т. д.) Стираются при обрушении. Тот факт, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уиллер сделал шутливое заявление: У черной дыры нет волос.

Во время коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Получающаяся в результате стационарная черная дыра забывает всю информацию об исходной звезде, за исключением трех величин: полной массы, углового момента (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она удлиненной или сплюснутой и т. д. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать частицы противоположного знака из межзвездного пространства. средний, и его заряд быстро станет нулевым. Оставшийся неподвижный объект будет либо невращающейся черной дырой Шварцшильда, которая характеризуется только массой, либо вращающейся черной дырой Керра, которая характеризуется массой и угловым моментом.

Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется вихревое гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Гравитационное поле вращающейся черной дыры называется полем Керра (математик Рой Керр нашел решение соответствующих уравнений в 1963 году). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но и для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине свободно вращающийся гироскоп, установленный на искусственном спутнике Земли, испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Возле Земли этот эффект едва заметен, а вот возле черной дыры он гораздо более выражен: скорость прецессии гироскопа может использоваться для измерения углового момента черной дыры, хотя сама она не видна.

Чем ближе мы приближаемся к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения вихревым полем. Не дойдя до горизонта, мы оказываемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. Быть статичным) относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой статическим пределом) и внутри нее все объекты должны вращаться вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель в статике никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.

Статический предел везде лежит за горизонтом и соприкасается с ним только в двух точках, где они обе пересекаются с осью вращения черной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статики, называется эргосферой. Объект, застрявший в эргосфере, может вырваться наружу. Следовательно, хотя черная дыра все съедает и ничего не отпускает, тем не менее, обмен энергией между ней и космическим пространством возможен. Например, частицы или кванты, пролетающие через эргосферу, могут уносить энергию ее вращения.

Вся материя внутри горизонта событий черной дыры обязательно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно высокой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как место, где разрушается классическая концепция пространства и времени, как и все известные законы физики, поскольку все они сформулированы на основе классического пространства-времени.

Кроме того, С. Хокинг обнаружил возможность очень медленного спонтанного квантового испарения черных дыр. В 1974 году он доказал, что черные дыры (не только вращающиеся, но и любые) могут испускать материю и излучение, но это будет заметно только в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле около черной дыры должно генерировать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дыркой, а вторая выбрасывается наружу. Например, черная дыра массой 10 12 кг должна вести себя как тело с температурой 10 11 К, излучая очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея испарения черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

Ищите черные дыры

Расчеты в рамках ОТО указывают только на возможность существования черных дыр, но никоим образом не доказывают их присутствие в реальном мире, открытие черной дыры было бы важным шагом в развитии физики. Обнаружить изолированные черные дыры в космосе невероятно сложно: нужно заметить небольшой темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по характерному влиянию на них.

Учитывая наиболее важные свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость), астрономы постепенно разработали стратегию их поиска. Самый простой способ обнаружить черную дыру - это ее гравитационное взаимодействие с окружающей материей, например, с ближайшими звездами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они берут вещество у ближайшей звезды и поглощают ее, нагревая до температуры в миллионы градусов и делая ее источником. рентгеновского излучения на короткое время.

Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой вращается вокруг общего центра масс, с помощью эффекта Доплера можно измерить скорость звезды и определить массу ее невидимого компаньона. Астрономы уже выделили несколько десятков двойных систем, где масса невидимого спутника превышает массу Солнца в 3 раза и заметны характерные проявления активности материи, движущейся вокруг компактного объекта, например, очень быстрые флуктуации яркости потоки горячего газа, быстро вращающиеся вокруг невидимого тела.

Особенно перспективной считается рентгеновская двойная система V404 Cygnus, масса невидимого компонента которой оценивается не менее 6 масс Солнца. Другие кандидаты в черные дыры обнаружены в двойных системах Cygnus X-1, LMC X-3, V616 Unicorn, QZ Chanterelles, а также в рентгеновских новых Ophiuchus 1977, Fly 1981 и Scorpio 1994. Почти все они расположены. внутри нашей Галактики, а система LMC X-3 находится в соседней галактике Большое Магелланово Облако.

Еще одно направление в поисках черных дыр - изучение ядер галактик. В них накапливаются и конденсируются огромные массы вещества, звезды сталкиваются и сливаются, поэтому там могут образовываться сверхмассивные черные дыры, которые в миллионы раз больше Солнца. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая пик яркости в центре галактики. Они уничтожают летящие рядом звезды, вещество которых образует аккреционный диск вокруг черной дыры и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на наличие в них черных дыр с массами до нескольких миллиардов солнечных масс. Недавно были получены очень убедительные доказательства того, что в центре нашей Галактики существует черная дыра с массой около 2,5 миллионов солнечных масс.

Вполне вероятно, что самые мощные процессы выделения энергии во Вселенной происходят с участием черных дыр. Они считаются источником активности в ядрах квазаров - молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, ознаменовано самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися в виде гамма-всплесков.

Термодинамика и испарение черных дыр

Представление о черной дыре как об абсолютно поглощающем объекте было исправлено С. Хокингом в 1975 году. Изучая поведение квантовых полей около черной дыры, он предсказал, что черная дыра обязательно излучает частицы в космическое пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением Хокинга (испарение). Проще говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, которая оказалась чуть ниже горизонта событий, попадает в черную дыру, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (то есть часть масса) черной дыры.

Состав излучения зависит от размера черной дыры: для больших черных дыр это в основном фотоны и нейтрино, а тяжелые частицы начинают присутствовать в спектре легких черных дыр. Спектр излучения Хокинга для безмассовых полей оказался строго совпадающим с излучением абсолютно черного тела, что позволило отнести температуру к черной дыре.

При этом интенсивность испарения нарастает лавинообразно, и заключительный этап эволюции носит характер взрыва, например, черная дыра весом 1000 тонн испарится примерно за 84 секунды, выделяя энергию, равную взрыву. около десяти миллионов атомных бомб средней мощности.

В то же время большие черные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2,7 К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньше энергии, чем поглощенная. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения не остынет в результате расширения Вселенной.

Без квантовой теории гравитации невозможно описать финальную стадию испарения, когда черные дыры становятся микроскопическими (квантовыми). По некоторым теориям, после испарения должен остаться шлак - минимальная черная дыра Планка.

Падение в черную дыру

Представьте, как должно выглядеть падение в черную дыру Шварцшильда. Тело, свободно падающее под действием гравитационных сил, находится в состоянии невесомости. Падающее тело будет испытывать действие приливных сил, которые растягивают тело в радиальном направлении и сжимают в тангенциальном направлении. Величина этих сил растет и стремится к бесконечности при. В какой-то момент тело пересечет горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделяется, но теперь возврата нет. Тело попадает в горло (его радиус находится в точке, где находится тело), которое сжимается так быстро, что от него уже невозможно улететь до момента окончательного коллапса (это сингулярность), даже двигаясь со скоростью света.

Рассмотрим теперь процесс падения тела в черную дыру с точки зрения удаленного наблюдателя. Например, пусть тело светится и, кроме того, посылает обратно сигналы с определенной частотой. Вначале дальний наблюдатель увидит, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно ускоряется под действием силы тяжести к центру. Цвет корпуса не меняется, частота обнаруживаемых сигналов практически постоянна. Однако, когда тело начинает приближаться к горизонту событий, фотоны, исходящие от тела, будут испытывать все большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля все физические процессы с точки зрения удаленного наблюдателя будут идти медленнее и медленнее, чем гравитационное замедление времени): часы, зафиксированные на радиальной координате r без вращения (), будут идти медленнее, чем бесконечно далекие. Будет казаться, что тело - в крайне уплощенном виде - будет замедляться по мере приближения к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится. Частота сигнала резко упадет. Длина волны света, излучаемого телом, будет быстро расти, так что свет быстро превратится в радиоволны, а затем в низкочастотные электромагнитные колебания, которые больше не будут регистрироваться. Наблюдатель никогда не увидит, как тело пересекает горизонт событий, и в этом смысле падение в черную дыру будет длиться бесконечно. Однако есть момент, с которого удаленный наблюдатель больше не сможет влиять на падающее тело. Луч света, посланный вслед за этим телом, либо вообще не догонит его, либо догонит уже за горизонтом. Кроме того, расстояние между телом и горизонтом событий, а также толщина сплющенного (с точки зрения стороннего наблюдателя) тела быстро достигнут планковской длины и (с математической точки зрения) ) будет уменьшаться дальше. Для реального физического наблюдателя (выполняющего измерения с ошибкой Планка) это эквивалентно тому факту, что масса черной дыры будет увеличиваться на массу падающего тела, а это означает, что радиус горизонта событий увеличится и тело будет внутри горизонта событий за конечное время.

Для удаленного наблюдателя процесс гравитационного коллапса будет похож. Сначала вещество устремится к центру, но у горизонта событий оно начнет резко замедляться, его излучение перейдет в радиодиапазон, и в результате дальний наблюдатель увидит, что звезда погасла.

Типы черных дыр

Сверхмассивные черные дыры

Обросшие очень массивные черные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. К ним относится массивная черная дыра в ядре нашей галактики - Стрелец A.

В настоящее время большинство ученых считает существование черных дыр звездного и галактического масштабов надежно доказанным астрономическими наблюдениями.

Американские астрономы обнаружили, что массы сверхмассивных черных дыр можно значительно недооценить. Исследователи обнаружили, что для того, чтобы звезды двигались в галактике M87 (которая находится в 50 миллионах световых лет от Земли), как сейчас, масса центральной черной дыры должна составлять не менее 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть вдвое превышает текущие оценки ядра M87, которое составляет 3 миллиарда солнечных масс.

Первичные черные дыры

В настоящее время выдвигаются гипотезы о первичных черных дырах. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовало достаточное отклонение от однородности гравитационного поля и плотности материи, то черные дыры могли образоваться из них путем коллапса. Более того, их масса не ограничена снизу, как в случае звездного коллапса - их масса, вероятно, могла быть совсем небольшой. Открытие первичных черных дыр представляет особый интерес в связи с возможностями изучения явления испарения черных дыр.

Квантовые черные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать стабильные микроскопические черные дыры, так называемые квантовые черные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс черных дыр дискретный и существует минимальная черная дыра - черная дыра Планка. Его масса составляет порядка 10 × 5 г, радиус - 10 × 35 м. Комптоновская длина волны черной дыры Планка по порядку величины равна ее гравитационному радиусу.

Заключение

Таким образом, все элементарные объекты можно разделить на элементарные частицы (длина волны которых больше их гравитационного радиуса) и черные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Черная дыра Планка является пограничным объектом, для нее можно найти название максимон, указывающее на то, что это самая тяжелая из возможных элементарных частиц. Еще один термин, который иногда используют для обозначения этого, - планкеон.

Даже если квантовые черные дыры существуют, их время жизни чрезвычайно короткое, что затрудняет их непосредственное обнаружение.

Недавно были предложены эксперименты по обнаружению доказательств появления черных дыр в ядерных реакциях. Тем не менее, для прямого синтеза черной дыры в ускорителе, недостижимая энергия 10 26 эВ требуются. По-видимому, виртуальные промежуточные черные дыры могут возникать в реакциях сверхвысоких энергий.

Список литературы

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания, М., Высш. школа 2001.
Гидры. М. Общая теория относительности, черные дыры и космология, 2011.
Майкл Куинион. Черная дыра. Всемирные слова. 1999.
Гальцов Д.В. Частицы и поля в окрестности черных дыр. М. МГУ. 1985.
Ж-П. Люмин, Черные дыры: популярное введение. Пер. с фран. - М., 2000.
Малышев А.И. Невидимая Вселенная: УМП. - Нижний Новгород: НГУ, 2006.
Мизнер Ч., Торн К. Уиллер Дж. Гравитация. Т.3. М. Мир. 1976.
Моше Д. Астрономия: Книга для студентов. Пер. с англ. / Под ред. А.А. Гурштейн. - М.: Просвещение, 1982.
Новиков И.Д., Фролов В.П. Физика черных дыр. М. Наука. 1985.
Сергей Попов. Экстравагантные консерваторы и консервативные чудаки // Троицкий вариант: газета. - 27 октября 2005.
Кауфман В. Дж. Космические рубежи теории относительности. - 1975.
Чандрасекар С. Математическая теория черных дыр: в 2-ч. Пер. с англ. - М.: мир, 1987.
Черные дыры: мембранный подход, 1987.