Черные и белые дыры

Оглавление статей
Черные и белые дыры
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Страница 5

Страница 1 из 5

 

 

 

Черные и белые дыры

Однажды я видел, как фокусник, показав зрителям монету, спрятал ее в кулак. Затем он пригласил желающего из публики подойти к нему и сильно сжать его кулак. «Крепче, еще крепче»,— говорил фокусник, и зритель старался изо всех сил. Наконец фокусник раскрыл ладонь, но монеты в ней не оказалось. Приходилось верить, что монета в результате сжатия исчезла, перестала существовать. Конечно, через несколько минут она вновь появилась: фокусник ловко вытащил ее из уха ассистента. Это один из многих трюков, в которых кажется, что тело исчезает, с тем чтобы появиться в нужный момент в каком-то другом необычном месте.

Любопытно, что природа также проделывает подобные фокусы, но вместо малых тел она, подвергая сжатию, заставляет исчезать звезды, в несколько раз более массивные, чем Солнце. По мнению некоторых ученых, звезда, сжатая так, что становится невидимой для внешнего наблюдателя, может снова появиться спустя какое-то время где-нибудь в удаленной части Вселенной или, возможно, даже в некой иной Вселенной. Когда природа подвергает сжатию тела, она не обманывает как фокусник — она делает это всерьез. Чтобы увидеть, как природа проделывает свои фокусы и что за ними следует, рассмотрим образование «черной дыры»— крошечной, непостижимо плотной звезды, из которой ни вещество, ни свет не могут выбраться наружу. Следует заметить, что ученые рассматривают черную дыру всего лишь как, возможно, промежуточную стадию на пути к завершению сферического гравитационного коллапса, или исчезновения тела в том, что они называют «сингулярностью». Сингулярность представляет собой область пространства-времени, где бесконечно сильные гравитационные поля до неузнаваемости деформируют вещество и излучение, при этом сфера сжимается в точку с нулевыми размерами и объемом, а вещество и энергия исчезают в результате сжатия. Сингулярность, согласно мнению некоторых ученых, дает природе возможность напомнить нам, что известные физические законы не согласуются с действительностью, может быть, потому, что в одних случаях мы забываем об ограниченности области их применения, а в других просто действуют новые законы. Иные ученые, напротив, считают, что в случае черной дыры сингулярность исключается: поскольку для достижения гравитационного радиуса необходимо бесконечное время, а Вселенная охватывает конечный промежуток времени, то черной дыре не хватит времени, чтобы достигнуть сингулярности. Но подробнее об этой гипотезе и ее тонкостях мы поговорим позже.

Для иллюстрации того, что происходит с пространством-временем при возникновении сингулярности, приведем такой пример. Представим себе тонкую резиновую пленку, натянутую на большой каркас. Допустим, что эта пленка изображает некоторый уголок Вселенной. Если взять шар и поместить его в центр пленки, то шар чуть-чуть опустится и растянет пленку, деформируя ее. Под тяжестью более массивного шара пленка провиснет глубже и деформация будет сильнее. Более тяжелый шар опустится еще ниже и деформирует пленку еще больше. Наконец, если шар обладает почти бесконечным весом и мы предполагаем, что резиновая пленка не может разорваться, шар опустится почти на бесконечное расстояние от каркаса, поддерживающего пленку. Если в это мгновение в резиновой пленке появится крошечная дырка, шар проскользнет в нее и отделится от пленки. После того как давление на пленку исчезнет, она вернется к своему первоначальному состоянию и снова станет плоской. Силы гравитационного натяжения освободят пространство-время, а шар фактически покинет нашу Вселенную. Где же он окажется теперь? Эту ситуацию мы рассмотрим ниже.

Концепция массивных тел, «удерживающих» свет так, что он не может от них оторваться и уйти прочь, впервые была выдвинута в 1795 г. Пьером Симоном Лапласом, который показал, что объект размерами с земную орбиту и с плотностью Земли оказался бы столь массивным, что свет не мог бы уйти от его поверхности. Подобный объект оказался бы невидимым для удаленного наблюдателя.

Чтобы понять, как возникают такие объекты, начнем со звезд, которые приближаются к концу своей долгой жизни и вступают в финальную стадию, завершающую их жизнедеятельность. Как мы видели, нормальные звезды с массами меньше 1,2 массы Солнца в итоге сжимаются до размеров белых карликов и излучают оставшуюся энергию в течение необычайно длительного времени, в конце концов заканчивая свой путь в виде массивных плотных темных шлаков, носящихся в безбрежных пространствах Вселенной.

Если масса звезды больше, чем 1,2 массы Солнца, то в некоторых случаях возникает неустойчивость: во время взрыва сверхновой выбрасывается довольно массивная оболочка, а оставшееся тело оказывается нейтронной звездой, свойства которой поражают наше воображение. Наконец рассмотрим звезду, масса которой в два раза превышает солнечную. Эта звезда может взорваться, как сверхновая, но если масса вещества, оставшегося после взрыва, все еще превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Ученые полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению черной дыры. Они считают, что с. окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остается один неизбежный путь — путь всеобщего и полного сжатия (коллапса), превращающего ее в невидимую черную дыру.

Хотя картина, которую мы нарисовали, дает весьма малоубедительный ответ на одну из труднейших для понимания проблем, попытаемся все же рассмотреть подробнее возможность реализации коллапса, насколько это позволяют специальные математические формулы и фундаментальные положения физики. Чтобы лучше понять теорию коллапса, обратимся к истории.

В 1939 г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в черную дыру. Если, например, невращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься, то она сначала сжимается до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварцшильда, который первым указал на его существование). Если звезда достигает этого радиуса, то уже ничто не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звезд,— галактики — этот радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км.

Вскоре после того, как Оппенгеймер и Снайдер начали свое исследование, вспыхнула вторая мировая война; исследование так и осталось в зачаточном состоянии и не возобновилось после войны. Однако в 1963 г. на горизонте астрономии внезапно появился новый класс объектов — квазизвездные радиоисточники, квазары. По необычайно большому красному смещению спектральных линий в их спектрах астрономы установили, что они расположены на огромных расстояниях от Земли — порядка миллиардов световых лет. Это означало, что, по-видимому, объекты излучают фантастически большое количество энергии. Не входя в детали (мы опишем их подробнее в последней главе), отметим, что одна из возможностей объяснить такое обилие энергии заключалась в предположении о гравитационном коллапсе гигантской звезды или скопления звезд. Астрономы считали, что единственным подходящим механизмом, который объяснил бы эти колоссальные выбросы энергии, может быть гравитация.

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: