РЕЗЮМЕ - Черные дыры
Черная дыра -- область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.
Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер -- гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной черной дыры он равен радиусу Шварцшильда, где c -- скорость света, M -- масса тела, G -- гравитационная постоянная.
Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции "Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)" 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли "сколлапсировавшие звезды" или "коллапсары" (от англ. collapsed stars), а также "застывшие звезды" (англ. frozen stars).
Изображение, полученное с помощью телескопа "Хаббл": Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится черная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых лет
Вопрос о реальном существовании черных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой их существование следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтвержденной экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования черных дыр, но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей (см.: Альтернативные теории гравитации). Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтвержденной для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от черных дыр звездных масс. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования черных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как черные дыры общей теории относительности.
Кроме того, черными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой черной дыре -- например, это могут быть коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придается большого значения, так как наблюдательные проявления "почти сколлапсировавшей" ("замороженной") звезды и "настоящей" ("извечной") черной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для "извечной" черной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, деленного на скорость света.
Согласно теореме Биркхофа, гравитационное поле любого сферически симметричного распределения материи вне ее дается решением Шварцшильда. Поэтому слабо вращающиеся черные дыры, как и пространство-время вблизи Солнца и Земли, в первом приближении тоже описываются этим решением.
Две важнейшие черты, присущие черным дырам в модели Шварцшильда -- это наличие горизонта событий (он по определению есть у любой черной дыры) и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной Вселенной.
Решением Шварцшильда точно описывается изолированная невращающаяся, незаряженная и не испаряющаяся черная дыра (это сферически симметричное решение уравнений гравитационного поля (уравнений Эйнштейна) в вакууме). Ее горизонт событий -- это сфера, радиус которой, определенный из ее площади по формуле S = 4рr2, называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда.
Все характеристики решения Шварцшильда однозначно определяются одним параметром -- массой. Так, гравитационный радиус черной дыры массы M равен, где G -- гравитационная постоянная, а c -- скорость света. Черная дыра с массой, равной массе Земли, обладала бы радиусом Шварцшильда в 9 мм (то есть Земля могла бы стать черной дырой, если бы кто-либо смог сжать ее до такого размера). Для Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 км.
Объекты, размер которых наиболее близок к своему радиусу Шварцшильда, но которые еще не являются черными дырами, -- это нейтронные звезды.
Можно ввести понятие "средней плотности" черной дыры, поделив ее массу на "объем, заключенный под горизонтом событий".
Средняя плотность падает с ростом массы черной дыры. Так, если черная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью, превышающей ядерную плотность, то сверхмассивная черная дыра с массой в 109 солнечных масс (существование таких черных дыр подозревается в квазарах) обладает средней плотностью порядка 20 кг/м?, что существенно меньше плотности воды! Таким образом, черную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объема вещества, но и экстенсивным путем, накоплением огромного количества материала.
Для более точного описания реальных черных дыр необходим учет наличия момента импульса. Кроме того, малые, но концептуально важные добавки для черных дыр астрофизических масс -- излучение Старобинского и Зельдовича и излучение Хокинга -- следуют из квантовых поправок. Учитывающую это теорию (то есть ОТО, в которой правая часть уравнений Эйнштейна есть среднее по квантовому состоянию от тензора энергии-импульса) обычно называют "полуклассической гравитацией". Представляется, что для очень малых черных дыр эти квантовые поправки должны стать определяющими, однако это точно не известно, так как отсутствует непротиворечивая модель квантовой гравитации.
Похожие статьи
-
Черная дырам - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со...
-
Введение - Понятие о черной дыре
Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления,...
-
"У черных дыр нет волос" - Черные дыры во вселенной
Что произойдет, если две черные дыры столкнутся друг с другом? Образуют ли они новую, более массивную черную дыру? Астрофизик Дэвид Меррит полагает, что...
-
Горизонтом событий является точка, в которой вторая космическая скорость равна скорости света. Внутри черной дыры эта скорость превышает скорость света....
-
Свойства черных дыр - Черные дыры
Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории...
-
Черные дыры в космосе - Галактика и Вселенная
В природе должны существовать экзотические объекты, предсказанные в XVIII веке выдающимся французским математиком и астрономом П. Лапласом (1749-1877)....
-
Конец звезды - белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры - Физика звезд
После того как звезда исчерпает свои источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. При этом физические свойства газа кардинально меняются, так...
-
Свойства черных дыр - Понятие о черной дыре
Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории...
-
Математическое описание - Черные дыры
Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую...
-
Образование черных дыр. Гравитационный коллапс, гравитационный радиус - Черные дыры
Ученые установили, что черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько...
-
Анизотропное шоссе - Черные дыры во вселенной
Насколько нам известно, первым ученым, придумавшим объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из основателей научной...
-
Образование черных дыр. Гравитационный коллапс. Гравитационный радиус - Черные дыры во вселенной
Ученые установили, что черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько...
-
Плененный свет - Современные представления астрофизики. Физика черных дыр
Давайте поставим себя на место второй бабочки и рассмотрим черную дыру с точки зрения теоретической физики. Согласно простейшему определению, черная дыра...
-
Нейтронные звезды и пульсары, Черные дыры - Происхождение и эволюция звезд
"Остатки взорвавшегося ядра известны под названием нейтронной звезды. Нейтронные звезды вращаются очень быстро, испуская световые и радиоволны, которые,...
-
Черные дыры во Вселенной - Черные дыры во вселенной
Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел....
-
Уравнение Шварцшильц - Черные дыры
В 1906 году немецкий физик Шварцшильц получил решение уравнений общей теории относительности для поля тяготения сферического тела. Из этого решения...
-
Уравнение Шварцшильца - Черные дыры
В 1906 году немецкий физик Шварцшильц получил решение уравнений общей теории относительности для поля тяготения сферического тела. Из этого решения...
-
Как создать машину времени? - Черные дыры во вселенной
Теории о путешествиях во времени, пожалуй, остаются одними из самых впечатляющих вслед за разработками в области телепортации, торсионных полей и...
-
Черные дыры. - Эволюция и типы звезд
Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после...
-
Предыстория черных дыр - Черная дыра: загадочная и таинственная
Черная дыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия черных дыр можно начать со времен И. Ньютона, открывшего закон всемирного...
-
Черные дыры и современная научная картина мира - Астрономия и современная картина мира
...А вдали наблюдается мир полосатых и пестреньких дыр. С бесконечным (по модулю) z, произвольно меняющих цвет... (Из старого астрофольклора) Стандартная...
-
Новые открытия относительно черных дыр - Черные дыры
По недавнему заявлению астрономов из Университета Огайо, необычное двойное ядро в галактике Андромеды объясняется скоплением звезд, вращающихся по...
-
КАК ИСКАТЬ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ? - Черные дыры
Столь странные объекты нарушали привычную для астрономов картину Вселенной. По поводу черных дыр большинство астрономов вообще с сомнением покачивали...
-
ВОКРУГ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ, ДЫРА ВО ВРЕМЕНИ - Черные дыры
ДЫРА ВО ВРЕМЕНИ Как уже говорилось, теория тяготения предсказывает, что время течет тем медленней, чем ближе часы находятся к гравитационному радиусу Это...
-
Черные дыры - Особенности теории конца жизни звезд
Термин "черная дыра" был весьма удачно введен в науку Джоном Уиллером в 1968 для обозначения "застывшей", сколлапсировавшей звезды. Рассмотрим, что...
-
Общая характеристика Черных дыр, Представление о Черных Дырах - Черные дыры
Представление о Черных Дырах Одним из самых парадоксальных объектов, находящихся в космосе, - являются так называемые "черные дыры", или коллапсары -...
-
Формирование черных дыр - Черные дыры
Самый очевидный путь образования черной дыры - коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие...
-
История идеи о черных дырах - Черные дыры
Черная дыра гравитационный коллапс Английский геофизик и астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что...
-
Черная дыра в представлении художника, Примеры гравитационных воронок - Строение Солнца
Черные дыры настолько массивны, что их вторая космическая скорость быстрее, чем скорость света. Поскольку ничего не может двигаться быстрее, чем свет, то...
-
Черная дыра - как последняя стадия эволюции звезд - Черные дыры
После выгорания термоядерного вещества в звезде, масса которой сравнима с массой солнца, то свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется...
-
Формирование черных дыр - Понятие о черной дыре
Самый очевидный путь образования черной дыры - коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие...
-
Как уже говорилось, теория тяготения предсказывает, что время течет тем медленней, чем ближе часы находятся к гравитационному радиусу. Это означает, что,...
-
Черные дыры - Космические тела
Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после...
-
Гравитационные волны - Черные дыры
Теория тяготения Эйнштейна предсказала существование гравитационных волн. Они подобны электромагнитным, которые являются быстро меняющимся...
-
Ядерные процессы, Квазары, Черные Дыры - Еще раз о Мироустройстве
"Одна из основных задач современного астрофизического знания заключается в поиске и исследовании Активных Ядер Галактики ". - В. А. Амбарцумян...
-
Обнаружение черных дыр - Черные дыры
Как известно, черные дыры нельзя обнаружить при помощи непосредственных наблюдений. Их можно обнаружить по мощному воздействию на окружающую материю и по...
-
Небесная механика черных дыр - Черная дыра: загадочная и таинственная
Согласно ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым -- гиперболе или параболе, -- либо по...
-
Сферически-симметричный коллапс - Современные представления астрофизики. Физика черных дыр
Теперь проанализируем причинную структуру пространства-времени вокруг звезды, коллапсирующей под действием гравитации звезды, именно этот процесс, как...
-
Массивные звезды погибают и в результате взрыва, образуются сверхновая звезда. Что происходит после этого, зависит от ее массы. Большинство из них...
-
Типы черных дыр - Черные дыры во вселенной
До сих пор мы говорили о возникновении во Вселенной черных дыр звездного происхождения. Астрономы имеют все основания предполагать, что, помимо звездных...
РЕЗЮМЕ - Черные дыры