Чорні діри

Изложены новітні дані про визначенню мас чорних дір у рентгенівських подвійних зоряних системах. На цей час відомо 10 рентгенівських подвійних систем, містять масивні (з безліччю більш трехсолнечных) рентгенівські джерела — кандидати в чорні діри. Чудово, що в однієї з них спостерігається феноменів рентгенівського пульсара або рентгенів-ського барстера I типа.

Як відомо, чорної дірою називається область простору-часу, у якій гравітаційного поля бо так, що й світло неспроможна залишити цю галузь. Це відбувається, якщо розміри тіла менший за нього гравітаційного радіуса де G — стала тяжіння, з — швидкість світла, М — маса тіла. Гравітаційний радіус Сонця 3 км, Землі - близько 9 мм.

Загальна теорія відносності А. Ейнштейна пророкує дивовижні властивості чорних дір, у тому числі найважливіше — наявність в чорної діри горизонту подій. Для невращающейся чорної діри радіус горизонту подій збігаються з гравітаційним радіусом. На обрії подій для зовнішнього спостерігача хід часу зупиняється. Космічний корабель, посланий до чорну дірку, з погляду далекого спостерігача, будь-коли перетне обрій подій, а буде безупинно сповільнюватися з наближенням щодо нього. Усі, що відбувається під обрієм подій, всередині чорної діри, зовнішній спостерігач вбачає. Космонавт у своїй кораблі у принципі здатний проникнути під обрій подій, але передати певну інформацію зовнішньому спостерігачеві не зможе. У цьому космонавт, вільно падаючий під обрієм подій, мабуть, побачить іншу Всесвіт, і навіть своє майбутнє. Пов’язано це про те, що в чорної діри просторова і тимчасова координати змінюються місцями й подорож у просторі тут замінюється подорожжю у часі.

Ще незвичні властивості обертових чорних дір. Але вони обрій подій має менший радіус, і занурений він всередину эргосферы — області простору-часу, у якій тіла повинні безупинно рухатися, підхоплені вихровим гравітаційним полем обертовою чорної дыры.

Настільки незвичних властивостей чорних дір багатьом здаються просто фантастичними, тож існування чорних дір у природі часто сумнівається. Проте, забігаючи вперед, відзначимо, що, відповідно до новітнім спостережною даним, чорні діри і справді є і це притаманні дивовижні свойства.

ЯК УТВОРЮЮТЬСЯ ЧОРНІ ДЫРЫ.

Відомо, що й маса ядра зірки, що зазнало зміни хімічного складу через термоядерних реакцій і який перебуває переважно з елементів групи заліза, перевищує 1,4 сонячної маси M, але з перевершує трьох сонячних мас, то кінці ядерної еволюції зірки відбувається колапс (швидке стиснення) ядра, у результаті якого зовнішня оболонка зірки, не порушена термоядерними перетвореннями, скидається, що зумовлює явища спалахи наднової зірки. Це спричиняє формуванню нейтронної зірки, у якій силам гравітаційного тяжіння протидіє градієнт тиску вырожденного нейтронного речовини. Величезні сили тиску вырожденного нейтронного речовини обумовлені тим, що нейтрони мають полуцелым спіном і підлягають принципу Паулі, що у даному енергетичному стані може тільки один нейтрон.

При стискуванні ядра зірки пізній стадії еволюції температура піднімається до гігантських значень — майже мільярд кельвинов, тому ядра атомів розвалюються на протони і нейтрони. Протони поглинають електрони, перетворюються на нейтрони і випускають нейтрино. Нейтрони ж, відповідно до квантовомеханическому принципу Паулі, що забороняє їм перебувати у однакових станах, починають при сильному стискуванні ефективно відштовхуватися друг від друга. Що стосується маси коллапсирующего ядра зірки менше 3M швидкості нейтронів значно менше швидкості світла, і пружність речовини, обумовлена переважно ефективним відштовхуванням нейтронів, може врівноважити сили гравітації і призвести до освіті стійких нейтронних зірок. Що стосується масивних ядер зірок (m > 3M) швидкості нейтронів великі, сили відштовхування між ними можуть врівноважити сили гравітації. І тут що настає нейтронна зірка, вихолодаючи колапсує, відповідно до існуючих уявленням, в чорну діру. Бо за освіті нейтронної зірки радіус зірки зменшується від 106 до 10 км, з умови збереження магнітного потоку слід, що магнітне полі нейтронної зірки радіусом 10 км може становити дуже великі величини — порядку 1012 Гс. Радіус нейтронної зірки порядку 10 км, щільність речовини сягає мільярда т дизпалива на кубічному сантиметре.

Добре відомі радіопульсари і рентгенівські пульсари таки є нейтронні зірки, причому число відомих радиопульсаров сягає 700. Радіопульсари спостерігаються як джерела суворо періодичних імпульсів радіовипромінювання, що пов’язаний із переробкою енергії швидкого обертання зірки в спрямоване радіовипромінювання за посередництвом сильного магнітного поля. Рентгенівські пульсари світять з допомогою акреції речовини в тісних подвійних зоряних системах: сильне магнітне полі нейтронної зірки спрямовує плазму на магнітні полюси, де стикається з поверхнею нейтронної зірки й розігрівається в ударну хвилю до температурах десятки і сотні мільйонів градусів. Це спричиняє випромінюванню рентгенівських квантів. Оскільки вісь магнітного диполя не збігаються з віссю обертання нейтронної зірки, рентгенівські плями (їх називають аккреционными колонками) під час обертання нейтронної зірки то видно для земного спостерігача, то екрануються тілом нейтронної зірки, що зумовлює ефекту маяка і феномену рентгенівського пульсара — суворо періодичної змінності рентгенівського випромінювання на часи від часткою секунди до тисяч секунд. Періодичні пульсації радіоабо рентгенів-ського випромінювання свідчать, що з нейтронної зірки є велика магнітне полі (~ 1012 Гс), тверда поверхню й швидке обертання (періоди радиопульсаров досягають мілісекунд часу). У чорної діри суворо періодичних пульсацій випромінювання годі чекати, оскільки, відповідно до пророцтва загальної теорії відносності (ОТО) Ейнштейна, яка описує сильні гравітаційні поля, чорна діра немає ні твердої поверхні, ні сильного магнітного поля.

Для зірок, маси залізних ядер яких наприкінці еволюції перевищують три сонячних, ОТО пророкує необмежене стиснення ядра (релятивістський колапс) із заснуванням чорної діри. Це тим, що сили гравітації, які прагнуть стиснути зірку, визначаються щільністю енергії, а при величезних плотностях речовини, достигаемых при стискуванні ядра зірки (майже мільярд т дизпалива на кубічному сантиметрі), головний внесок у щільність енергії вносить не енергія спокою частинок, а енергія їх руху, і взаємодії. Виходить, що таке тиск речовини на великих плотностях хіба що саме «важить »: що більше тиск, тим більше коштів щільність енергії і, отже, сили гравітації, які прагнуть стиснути речовина. З іншого боку, при сильних гравітаційних полях, відповідно до ОТО, стають принципово важливими ефекти викривлення простору-часу, що також сприяє необмеженому стиску ядра звезды.

Чорні діри з дуже великими масами (до мільярдів сонячних мас), очевидно, перебувають у ядрах галактик, і останні роки у спостережній дослідженні надмасивних чорних дір намітився істотного прогресу у зв’язку з використанням космічного телескопа їм. Хаббла застосування методів радіоінтерферометрії зі сверхдлинными базами. З іншого боку, теорія пророкує можливість існування первинних чорних дір, які утворилися в останній момент освіти Всесвіту. Ми обмежимося розглядом лише чорних дір зоряної маси, які утворилися на кінцевих етапах еволюції масивних (з масами кілька десятків сонячних) звезд.

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ МАС ЧЕРНИХ ДЫР.

Відомо, що масу зірки можна виміряти, якщо вона входить у подвійну систему. Спостерігаючи рух зірок — компонент подвійний системи та застосовуючи закони Кеплера, які з закону тяжіння Ньютона, можна виміряти маси зірок. У цьому, оскільки розміри орбіти подвійний системи мільйони разів більше гравітаційних радіусів компонент, визначення мас зірок, зокрема і мас нейтронних зірок і чорних дір у подвійних системах, предосить використати закон тяжіння Ньютона. Не розглядаємо тут випадок подвійних радиопульсаров, де величезна точність визначення моментів приходу радиоимпульсов дозволяє спостерігати релятивістські ефекти (зумовлені ОТО) рухається пульсара, і за ними визначати з точністю маси пульсарів, і навіть спостерігати одвічну скорочення орбітального періоду подвійний системи, обумовлене випромінюванням потоку гравітаційних волн.

Оптична зоря у подвійний системи є як пробним тілом в гравітаційному полі чорної діри, що дозволяє виміряти її масу, але й своєрідним донором, які поставляють речовина на сусідній релятивістський об'єкт (нейтронну зірку чи чорну діру). Акреція цієї речовини на релятивістський об'єкт призводить до розігріву плазми до температурах десятки і сотні мільйонів градусів і до появи потужного рентгенівського джерела. Теоретичне пророцтво потужного энерговыделения при несферической акреції речовини на чорну діру було зроблено на 1964 року Я. Б. Зельдовичем і Е. Е. Салпитером. Теорія дискової акреції речовини на релятивістський об'єкт у тісному подвійний зоряної системі розвинена у початку 1970;х років у роботах Н.І. Шакуры і Р. А. Сюняева, Дж. Прингла і М. Рису, І.Дз. Новикова і К. С. Торна.

НОВІТНІ ДАННЫЕ.

Виявлено одне з найближчих до Сонячну систему чорних дір, виникнувши внаслідок старіння і наступного загибелі зірки класу блакитний гігант. І вперше досить вдало вдалося обчислити її орбіту звернення навколо нашої Галактики — Чумацький Путь.

Чорна діра було виявлено тому, що «пожирала» речовина сусідки — більш малої звезды.

Відкриття було зроблено на результаті спостережень радіотелескопів Національного Наукового товариства (VLBA), об'єднаних до системи радіоінтерферометрії зі сверхдлинной базою разом із супутниками прийому рентгенівського випромінювання Rossi.

Доказом підтвердження відкриття послужили оптичні знімки, зроблені на Паломарской Обсерваторії (POSS). Це вперше, коли орбітальне рух чорної діри було измерено.

Результати досліджень було повідомлено 13 вересня 2001;го року у випуску часопису «Природа».

Об'єкт називається XTE J1118+480 і він виявлено супутником Rossi X- 29 березня 2000 року. Пізніші спостереження оптичному і радіодіапазоні показали, що чорна діра відстоїть на 6,000 світлових років від Землі та є бінарну систему, де вона засмоктує зоряний газ у сусідній зірки, формуючи гарячий обертався диск, нагадує вирву виру у морі. Цей процес відбувається супроводжується викидом субатомних частинок, які випускають радиоволны.

Більшість зірок з нашого Галактиці - Чумацький Шлях, перебувають у межах галактичної площині. Проте, також є кульові зоряні скупчення, які містять сотні тисяч найстаріших зірок в Галактиці, і які знаходяться поза площиною Галактики. XTE J1118+480 подібно таким кульовим скупчень, нерухомих зі швидкістю 145 кілометрів на секунду щодо Землі, робить мудрі петлі навколо Галактики. Ця чорна діра утворилася спричинена смертю масивною зірки, котра, за класу панувала рівні блакитного гіганта. Такі зірки, коли цілком вироблять свій ресурс, або вибухають як нові зірки, залишаючи по собі ядро оболонки як нейтронної зірки, або закінчують шлях «гравітаційним бавовною» стискування, створюючи чорну дыру.

Ця чорна діра має багато, більше сонячної усемеро. Щоб розігнатися до існуючої швидкості, їй знадобився поштовх прискорення, який дати лише гравітаційна сила загальної маси кульового зоряного скупчення, із якого колись же й була выброшена.

Розташована неподалік Чумацького Шляху галактика Centeurus A має у свій центр масивну чорну діру. Це встановили міжнародної команді астрономів із Південної Європейської Обсерваторії, проводили спостереження з допомогою телескопа VLT (Very Large Telescope) до Чилі. Вимірювання дозволили визначити масу чорної діри — близько 200 мільйонів мас Сонця. Галактика Centaurus A, відома як і NGC 5128, віддалений від Землі на 11 мільйонів світлових років. Це з самих вивчених об'єктів Всесвіту. Як галактика у неї каталогизирована в 1847 року британським астроном Джоном Гершелем (John Herschel) вже півтора століття вивчається з усього набору астрономічних інструментів. Про те, що у центрі галактики перебуває чорна діра, підозрювали давно, але хто б думав, що вона настільки масивна.

Дж.Моран (J.Moran; Астрофізичний центр в Кембриджі, штат Массачусетс, США) стверджує, що йому вдалося знайти сверхмассивную чорну дірку у центрі дуже віддаленій ми спіральної галактики NGC 4258, за результатами вивчення потужного мазерного випромінювання, утворюваному молекулами води газових хмар, які піддаються впливу інтенсивної радіації.

Зіставляючи швидкість руху космічних хмар зі своїми розташуванням, Моран встановив, що вони навколо якогось центрального об'єкта, подібно планет навколо Сонця. По значенням швидкостей вдалося обчислити масу що притягує центру: вона була близька до 36 млн М*! Причому всі ці гігантська маса зосереджена області, поперечник якої менш 1 світлового року. Такими характеристиками може володіти лише чорна діра.

Джерела мазерного випромінювання перебувають у оточуючої галактику NGC 4258 зовнішньої периферії диска (чи сфери — з цього приводу серед астрофізиків немає єдиної думки). Проте за таких значних відстанях, як у нашому разі, найбільш імовірна, як вважають, форма диска. Мазери розташовуються там по S-образной кривою; такий вигин, вважає Моран, викликаний тиском рентгенівського випромінювання від скупчення сверхраскаленного газу, що у центрі даної системи.

Вивчення руху потужних мазери допоможе, на думку Моргана, пошуку свермассивных чорних дір. Найближчим кандидатом вважає галактику NGC 1068, у якій, судячи з піднаглядним швидкостям мазери, може бути чорна діра з безліччю, перевищує сонячну удесятеро млн раз.

Що всередині у чорної дыры.

Чорної дірою називається область простору-часу, обмежена обрієм, тобто поверхнею, а світло неспроможна залишити внаслідок дії гравітаційних сил. Позиція теорії відносності (ОТО) на чорні діри (та його внутрішню структуру) ось у чому. Ми (з визначення) поспіль не можемо отримати жодній інформації з чорної діри, тому для нас саме ЧОРНА, тобто у цього підходу питання внутрішньої структурі чорної діри перестав бути повністю коректним, т.к. ми можемо зробити відповідні виміру, а можемо тільки висловлювати припущення щось, без безпосередньої інформацію звідти.

Чорна діра (як і пропозиція) спочатку з’явилася 18 столітті завдяки роботам Мітчелла і Лапласа як пророцтво в ньютоновской теорії. Потім, вже — як математичне рішення ОТО. Для найпростіший оцінки радіуса горизонту чорної діри (як в Мітчелла і Лапласа) варто лише покласти другу космічної швидкості рівної швидкості світла. Для разі обертових і заряджених чорних дір рішення виходять вже тільки у межах ОТО.

Є немає чорні діри у Всесвіті, чи, все-таки лише наша гра потужні мізки і математики — питання поки залишається відкритим. Тепер є понад десять кандидатів до чорні дірок" у тісних подвійних системах і кілька десятків кандидатів до сверхмассивные чорні дірок" у ядрах галактик (зокрема і гідність нашої). Проте, це лише кандидати, хоча й хороші, і Нобелівську премію як відкриття чорних дір поки що не вручена. Але, залишивши питання фізичному обгрунтуванні, хто б забороняє продовжити рішення всередину чорної діри. Виявляється, що ухвалено рішення гладко триває під обрій і закінчується точці, у якій одну з найважливіших характеристик простору — кривизна — стає рівної нескінченності (кажуть «розходиться »). Така поведінка і називається сингулярностью, тобто областю, у не лише фізика, а й математика.

Якоюсь мірою дослідження сингулярностей вважатимуться физичным й у рамках ОТО, особливо у світлі недавніх результатів про кінцевої стадії гравітаційного колапсу. Річ у тім, кілька десятиліть тому сформульована «гіпотеза космічної цензури », яка стверджує, що у звичайної Всесвіту сингулярність може існувати, лише закрита ми обрієм, тобто у вигляді чорної діри. Отож, нещодавно під час чисельного аналізу різних сценаріїв гравітаційного колапсу було встановлено, що з певних початкових умовах (цілком фізичних, слід зазначити) процес гравітаційного колапсу може закінчиться виникненням «голою «сингулярності. У межах ОТО аналітичного відповіді це питання немає.

У ОТО є одна дуже великі недолік — вона піддається процедурі квантування, на відміну від теорій інших фізичних взаємодій (електромагнітного, слабкого та образу сильної). Тому створюються звані теорії суперобъединения, куди входить не сама ОТО, а будь-якої (до кінця незрозуміло, який) варіант ефективної теорії гравітації, до складу якого ОТО. З погляду ідей квантової механіки, що у основі об'єднання взаємодій, питання внутрішньої структурі цілком правомірний, оскільки всі простір має описуватися однієї характеристикою — хвильової функцією. У цього нового підходу було відкрито (в математичному плані, звісно) нові типи сингулярностей, яких у ОТО. Можна виділити характеристики сингулярності, наприклад, за швидкістю, з якою кривизна розходиться. Якоюсь мірою і обрій подій чорної діри вважатимуться сингулярностью, але з істинної, оскільки кривизна у разі кінцева (розходиться лише одне коефіцієнт), більше, цю сингулярність можна прибрати після відповідного перетворення координат.

Чорні діри сливаются.

Вчені відкрили, що лише у галактиці цілком може співіснувати дві сверхмассивные чорні діри, які у остаточному підсумку обов’язково зіллються до однієї. Про цю подію супроводжуватиметься такими викидами енергії, що зірки витіснять з єдиного центру галактики, де буде бушувати радіоактивне і гравітаційне цунамі.

Вчені давно знали, що у галактиці NGC 6240 існує два яскравих плями, що звуться ядрами. Оскільки центр галактики закритий від огляду пилом, вчені надіслали той бік телескоп Чандра, з думкою визначити, чи є будь-який з цих ядер активної сверхмассивной чорної дірою. Яке було їх подив, що вони зрозуміли, що обидві об'єкта є активними чорних дірок.

Ця галактика перебуває ми з відривом близько 400 світлових років — досить близько по космічним масштабам і утворилася вона у результаті сутички двох галактик, що розпочалася 30 мільйонів років тому я. Астрономи вважають, що злиття галактик насправді відбувається мирно. Оскільки зірки розташовані дуже рідко, вже майже не «відчувають «того що відбувається. Зараз поки центри зіштовхуваних галактик тільки злегка гравітаційно взаємодіють. Та поступово відстань, однакову зараз 3 тисячам світлових років, зменшуватиметься. І вони неминуче почнуть взаємодіяти. Зірки, що обертаються навколо центрів, прискорять свій рух і вилетять з єдиного центру галактики. Коли чорні діри наблизяться на відстань близько світлового року, вони почнуть зливатися. Тоді газ, обертався навколо чорних дір розігріється до таких температур, що почне випромінювати радіоактивні хвилі. Зрештою полі радіоактивності знищить всі об'єкти, які перебувають навколо ядер, що дозволить оглядати ядро. Жодна зірка не вціліє на полі впливу більш масивною чорної діри по тому, як вони зіллються.

Вчені також побудували комп’ютерну версію те, що відбувається нині в галактиці NGC 362. Доти астрономи будь-коли бачили подвійних чорних дір. Це наштовхувало їх у думки, що таке явища, як подвійна чорна діра немає, що чорні діри зливаються до однієї. Нещодавно вони мали доказ цього: джети, генеровані чорних дірок в об'єкті, відомому за номером NGC 362, змістилися. Це засвідчує тому, що чорні дірок" у зіштовхуваних галактиках «відчули «існування одне одного.

Список використаної литературы:

1. Новиков І.Дз. Чорні діри і Всесвіт. М.: Мовляв. гвардія, 1985.

2. Липунов В. М. У подвійних зірок. М.: Квант, 1986.

3. Черепащук А. М. Масивні тісні подвійні системи. Земля і Всесвіт. 1985. № 1.

З. 16−24.

4. Лютий В. М., Черепащук А. М. Оптичні дослідження рентгенівських подвійних систем // Саме там. 1986. № 5. З. 18−25.

5. Черепащук А. М. Чорні діри: нові дані // Саме там. 1992. № 3. З. 23−30.

6. Гінзбург В. Л. Про фізики й астрофізиці. М.: Бюро «Квантум », 1995. 106 с.