ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. COMBES
Давайте попробуем отвести часы назад. До возникновения жизни, до появления Земли, до рождения Солнца и формирования галактик, до того, как начал литься свет, произошёл . И это было 13,8 миллиарда лет назад.
Но что же раньше? Многие физики утверждают, что никакого «раньше» не существует. Они полагают, что само время началось в момент Большого Взрыва, а всё что было до этого не умещается в научной сфере. Согласно этой точке зрения, мы никогда не сможем постичь, какой была реальность до Большого Взрыва, из каких компонентов он сформировался, и почему случился, дав начало нашей вселенной.
Но есть учёные чуждые условностям, и они не согласны. Эти люди строят замысловатые теории о том, что за мимолётное мгновение до Большого Взрыва вся энергия и масса зарождавшейся вселенной сжалась в нереально плотную, но вполне ограниченную крупинку. Можно назвать её «Семенем новой действительности».
Эти взбалмошные физики полагают, что Семя было невообразимо крохотным, вероятно, в триллионы раз меньше любой элементарной частицы, которую может наблюдать человек. И тем не менее, именно эта крупица стала толчком для появления всего прочего: других частиц, галактик, нашей солнечной системы и людей. Если вы по-настоящему горите желанием назвать хоть что-нибудь частицей Бога, то это Семя — лучший кандидат для такого названия.
А как тогда возникло это Семя? Идея, выдвинутая Никодимом Поплавским из университета Нью-Хейвена, гласит, что Семя нашей реальности появилось в первичной печи чёрной дыры.
Прежде чем мы копнём глубже, стоит понять, что за последние годы многие интересующиеся данным вопросом пришли к заключению, что наша вселенная далеко не единственная. Она может быть лишь крохотной частью огромной мультивселенной, одним из светящихся шаров в истинных ночных небесах.
Никто не знает, как эти вселенные связаны между собой, и есть ли вообще подобная связь. И хоть возникающие по этому поводу споры умозрительны и недоказуемы, всё же есть одна занятная идея, гласящая, что Семя каждой вселенной очень похоже на семя растения. Маленький кусочек драгоценно важной материи, компактно сжатый и скрытый под защитной оболочкой.
Этим весьма точно объясняются события, происходящие внутри Чёрной Дыры. Все Чёрные Дыры это останки гигантских звёзд, у которых закончилось топливо, а ядро схлопнулось. Когда силы гравитации сжимают всё с умопомрачительной и постоянно увеличивающейся мощью. Тогда температура поднимается до 100 миллиардов градусов, атомы распадаются, а электроны разрывает на куски. И затем эта каша ещё больше сжимается.
Теперь звезда — это Чёрная Дыра. А это означает, что сила её притяжения столь громадна, что из неё не может выскользнуть даже луч света. Граница между внешней и внутренней частями Чёрной Дыры носит название горизонта событий. В центре практически каждой галактики, не исключая и наш Млечный Путь, если хорошенько присмотреться, можно обнаружить массивные Чёрные Дыры, которые в миллионы раз крупнее нашего Солнца.
Воспользовавшись теорией Эйнштейна для того, чтобы определить, что же твориться на дне Чёрной Дыры, мы непременно упрёмся в концепцию сингулярности, согласно которой, там бесконечно плотная и бесконечно малая точка. А это противоречит самой природе, в которой бесконечностей вроде как не существует... Неувязка кроется в самих формулах Эйнштейна, которые идеально подходят для расчётов касательно большей части пространства-времени, однако напрочь не работают в квантовых масштабах неимоверных сил, что правят рождением вселенных и живут внутри Чёрных Дыр.
Такие физики-теоретики как доктор Поплавский утверждают, что материя в Чёрной Дыре доходит до того, что сдавить её больше не является возможным. Это крохотное Семя весит как миллиард звёзд, но в отличие от сингулярности, всё же вполне реально.
Поплавский считает, что сжатие останавливается, ибо Чёрные Дыры очень быстро крутятся, возможно, достигая в этом вращении скорости света. А это маленькое и тяжёлое Семя, обладающее нереальным осевым кручением, сжатое и искривлённое можно сравнить с пружиной черта из табакерки. Совершенно внезапно это Семя может прорасти и сделать это с мощным хлопком. Подобные дела и именуются Большим Взрывом, или, как предпочитает выражаться Поплавский, Большим Отскоком.
Другими словами, может оказаться, что Чёрная Дыра — это тоннель между двумя вселенными, при чём в один конец. Что в свою очередь означает, попади вы в Чёрную Дыру, тут же окажетесь в другой вселенной (точнее то, что от вас останется). Та другая вселенная не имеет отношения к нашей; дыра — это лишь соединительное звено, словно общий корень, из которого растут два дерева.
Так как же на счёт всех нас, внутри нашей родной вселенной? Мы можем быть детьми иной, более древней пра-вселенной. Семя, выкованное внутри Чёрной Дыры матерью-вселенной, могло 13,8 миллиарда лет назад исполнить Большой Отскок, и не смотря на то, что с тех пор наша вселенная по-прежнему быстро расширяется, мы всё ещё можем существовать за горизонтом событий той Чёрной Дыры.
Реферат на тему:
"Черные дыры Вселенной"
Владивосток
2000
Содержание:
Черные дыры вселенной_____________________________3
Гипотезы и парадоксы______________________________6
Заключение_______________________________________14
Список использованной литературы_________________15
Черные дыры вселенной
В этом явлении, казалось, содержится столько необъяснимого, почти мистического, что даже Альберт Эйнштейн, чьи теории, по сути дела, породили представление о черных дырах, сам просто не верил в их существование. Сегодня астрофизики все больше убеждаются, что черные дыры - это реальность.
Математические расчеты показывают - невидимые гиганты есть. Четыре года назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газовые облака, в которых молекулы благодаря внешней «накачке» излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел.
Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов особенность этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс.
М106 - не единственная галактика, где подозревается черная дыра. В туманности Андромеды, скорее всего, тоже есть и примерно такая же по массе - 37 миллионов Солнц. Предполагается, что и в галактике М87 - чрезвычайно интенсивном источнике радиоизлучения - обнаружена черная дыра, в которой сосредоточено 2 миллиарда масс Солнца! Рис. 1 Галактика М87
Лишь вестник радиоволн может быть черной дырой, еще не полностью закрытой «капсулой» искривленного пространства. Советский физик Яков Зельдович и его американский коллега Эдвин Солпитер сообщили о разработанной ими модели. Модель показала: черная дыра притягивает газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до «горизонта событий» и навечно исчезает в черной дыре.
Мазер в галактике М106, о котором шла речь в самом начале, находится в газовом диске. Черные дыры, возникающие во Вселенной, судя по тому, что наблюдали американские и японские астрономы в спиральной туманности М106, обладают несравненно большей массой, нежели те, о которых говорит теория Оппенгеймера. Он рассмотрел случай коллапса одной звезды, масса которой не более трех солнечных. А как образуются такие гиганты, которые астрономы уже наблюдают, объяснений пока нет.
Последние компьютерные модели показали, что газовое облако, находящееся в центре нарождающейся галактики, может породить огромную черную дыру. Но возможен и другой путь развития: скопление газа вначале распадается на множество боле мелких облаков, которые дадут жизнь большому числу звезд. Однако и в том, и в другом случае часть космического газа под действием собственной гравитации в конце концов закончит свою эволюцию в виде черной дыры.
По этой гипотезе черная дыра есть почти в каждой галактике, в том числе и в нашей, где-то в центре Млечного Пути.
 |
Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса «высасывает» вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу.
Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале 70-х годов. Она находится в созвездии Лебедя (обозначена индексом Cygnus XI) и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 Рис. 2 Cygnus XI солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCX3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке.
Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о «темных звездах». В 1783 году он писал: «Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела».
Гипотезы и парадоксы
Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!)
Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «линзы тяготения», которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и в виде «капсулы». Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом.
Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии?
По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за «горизонт событий» и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок...
Общая теория относительности говорит, что понятия «вовне» и «внутри» не имеют объективного смысла, они относительны также, как указания «налево» или «направо», «вверх» или «вниз». Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками.
Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смешаны в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.
 |
Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе.
Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На Рис.3 Большая Туманность Ориона снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми.
С. ТРАНКОВСКИЙ
Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.
Образование черной дыры может происходить тремя путями.
Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.
Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.
Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.
В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.
Рождение пары частица-античастица в лаборатории.
КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ
Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.
В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.
Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#
где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.
Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:
Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.
Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.
Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.
Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .
Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).
Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".
И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС
Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.
Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.
Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.
Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.
РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.
По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.
Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?
Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).
КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.
1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.
3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).
И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.
Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Мир вам ничего не должен – он был тут раньше вас.
- Марк Твен
А почему Вселенная не сжалась в чёрную дыру сразу после Большого взрыва?
Вселенная в наше время полна всего. Наша галактика - это крутой замес из звёзд, планет, газа, пыли, большого количества тёмной материи, содержащая от 200 до 400 миллиардов звёзд, и весящая в сумме в триллион раз больше, чем вся наша Солнечная система. Но наша галактика - всего лишь одна из триллиона галактик схожего размера, разбросанных по Вселенной.
Но как бы ни была массивна Вселенная, эта масса распределена по огромному пространству. Наблюдаемая часть Вселенной составляет в диаметре порядка 92 миллиардов световых лет, что по сравнению с границами нашей Солнечной системы трудно себе представить. Орбита Плутона и других объектов пояса Койпера составляет 0,06% от светового года. Поэтому у нас есть огромная масса, распределённая по огромному объёму. И хотелось бы представить, как они соотносятся друг с другом.
Ну, наше Солнце весит 2*10^30 кг. Это значит, что оно содержит 10^57 протонов и нейтронов. Если учесть, что во Вселенной содержится 10^24 солнечных масс обычной материи, получается, что в сфере радиусом 46 миллиардов километров содержится 10^81 нуклонов. Если посчитать среднюю плотность Вселенной, она окажется равной примерно двум протонам на кубический метр. А это МИЗЕР!
Поэтому, если начать думать о ранней стадии развития нашей Вселенной, когда вся материя и энергия были собраны в очень маленьком пространстве, которое было гораздо меньше даже нашей Солнечной системы, приходится задуматься над вопросом нашего читателя.
Когда Вселенная была возрастом в одну пикосекунду после Большого взрыва, вся эта материя, содержащаяся сейчас в звёздах, галактиках, кластерах и суперкластерах Вселенной, находилась в объёме меньшем, чем сфера с радиусом равным текущему радиусу орбиты Земли.
И, не умаляя теории насчёт того, что вся Вселенная уместилась в таком маленьком объёме, скажем, что нам известны чёрные дыры, которые уже существуют, и масса которых гораздо меньше массы Вселенной, а их размер при этом гораздо больше, чем упомянутый объём!
Перед вами - гигантская эллиптическая галактика Messier 87, самая большая галактика на расстоянии в 50 миллионов световых лет от нас, что составляет 0.1% от радиуса наблюдаемой Вселенной. В её центре есть супермассивная чёрная дыра, с массой в 3.5 миллиардов солнечных. Это значит, что у неё шварцшильдовский радиус - или радиус, из которого не может убежать свет. Он составляет примерно 10 миллиардов километров, что в 70 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Так что если такая масса в таком маленьком объёме приводит к появлению чёрной дыры, почему же масса в 10^14 раз большая, находясь в ещё меньшем объёме, не привела к появлению чёрной дыры, а, очевидно, привела к появлению нашей Вселенной?
Так она чуть и не привела. Вселенная со временем расширяется, а скорость её расширения уменьшается по мере нашего движения в будущее. В далёком прошлом, в первых пикосекундах Вселенной скорость её расширения была намного, намного больше, чем сейчас. Насколько больше?
Сегодня Вселенная расширяется со скоростью примерно 67 км/с/МПк, что означает что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) на котором что либо находится от нас, расстояние между нами и этим объектом расширяется со скоростью 67 километров в секунду. Когда возраст вселенной составлял пикосекунды, эта скорость была ближе к 10^46 км/с/МПк. Чтобы представить себе это, можно сказать, что такая скорость расширения сегодня привела бы к тому, что каждый атом материи на Земле удалялся бы от других так быстро, что расстояние между ними увеличивалось бы на световой год каждую секунду!
Это расширение описывает уравнение выше. На одной его стороне есть H, хаббловская скорость расширения Вселенной, а на другой - много всякого. Но самое важное – это переменная ρ, которая обозначает плотность энергии Вселенной. Если H и ρ идеально сбалансировать, Вселенная сможет прожить очень долго. Но даже небольшой дисбаланс приведет к одному из двух очень неприятных последствий.
Если бы скорость расширения Вселенной была чуть поменьше, относительно количества её массы и энергии, то нашу Вселенную ждал бы почти мгновенный коллапс. Превращение в чёрную дыру или Большое сжатие произошло бы очень быстро. А если бы скорость расширения была бы чуть-чуть повыше, то атомы вообще бы не соединились друг с другом. Всё расширялось бы так быстро, что каждая субатомная частица существовала бы в своей собственной Вселенной, и ей не с чем было бы взаимодействовать.
А насколько должны были отличаться скорости расширения для получения таких разных результатов? На 10%? На 1%? На 0.1%?
Берите выше. Потребовалась бы разница менее чем в 1/10^24, чтобы дать Вселенной время просуществовать в течении 10 миллиардов лет. То есть, даже отличия на 0.00000001% от произошедшей скорости расширения было бы достаточно, чтобы Вселенная сколлапсировала бы обратно меньше чем за секунду, если бы расширение было слишком медленным. Или для предотвращения формирования даже одного атома гелия, если бы расширение было слишком большим.
Но у нас ничего этого нет: у нас есть Вселенная, представляющая собой пример почти идеального баланса между расширением и плотностью материи и излучения, и отличается текущее состояние от идеального баланса всего лишь на очень небольшую ненулевую космологическую константу. Почему она есть, мы объяснить пока не можем, но может быть, вам понравится изучать то, что её не объясняет!
При анализе движения частиц, входящих в черную дыру, опубликованном в марте Никодимом Поплавским из Университета Индианы в Блумингтоне, было продемонстрировано, что внутри каждой черной дыры может существовать другая вселенная. "Может быть, огромные черные дыры в центре Млечного пути и других галактик являются "мостами" между различными вселенными", говорит Поплавский. Если это верно, и это большое "если", ничто не исключает того, что наша вселенная также находится внутри черной дыры.
В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), внутренности черных дыр представляют собой регионы, где плотность вещества достигает бесконечности. Будь сингулярность фактической точкой бесконечной плотности или просто математической неоднозначностью ОТО, уравнения Эйнштейна "рушатся" внутри черной дыры. В любом случае, модифицированная версия уравнений Эйнштейна, используемая Поплавским, устраняет сингулярность в целом.
Для своего анализа, Поплавский обратился к варианту уравнений Эйнштейна Картана-Кибл-Сциама (ККС) теории гравитации. В отличие от уравнений Эйнштейна, ККС теории гравитации учитывает спин, или же момент импульса элементарных частиц. Благодаря учитыванию спина, становится возможным вычислить геометрию пространства-времени черной дыры.
Когда плотность вещества достигает гигантских размеров (больше, чем 1050 килограмм на кубический метр) внутри черной дыры, кручение проявляется как сила, эквивалентная притяжению. Это предотвращает вопросы о неопределенном времени сжатия для достижения бесконечной плотности. Вместо этого, говорит Поплавский, материя реорганизовывается и начинается расширяться снова.
Поплавский применил эти идеи к модели поведения пространства-времени внутри черной дыры. Сценарий напоминает то, что происходит, когда вы сжимаете пружину: Поплавский подсчитал, что первоначально сила тяжести преодолевает силы отталкивания и кручения и сохраняет сжатие материи, но в конечном итоге сила отталкивания становится настолько сильной, что материя перестает сжиматься и реорганизуется. Расчеты Поплавского показывают, что пространство-время внутри черной дыры, расширяется примерно до 1,4 раз по сравнению с наименьшим размером всего за 10-46 секунд.
Этот поразительно быстрый отскок назад, говорит Поплавский, мог бы быть тем, что привело к расширяющейся Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.
Как же мы узнаем, что живем внутри черной дыры? Ну, вращающаяся черная дыра дала бы некоторый спин в пространстве-времени внутри нее, и это должно было бы отобразиться как "предпочтительное направление" в нашей Вселенной, говорит Поплавский. Такое предпочтительное направление приведет к нарушению свойства пространства-времени, называемого симметрией Лоренца, которое связывает пространство и время. Было высказано мнение, что такие нарушения могут быть вызваны наблюдаемыми колебаниями нейтрино из одного типа в другой.
К сожалению, для нас нет никакого смысла искать другие миры внутри черных дыр. По мере приближения к черной дыре, увеличение гравитационного поля делает время все медленнее и медленнее. Таким образом, для внешнего наблюдателя, любая новая вселенная внутри появится только после того, как пройдет бесконечное количество времени.
