Черные дыры и их роль в организации Вселенной

    Введение. 

    Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, те или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика – мир атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная или "Вселенная как целое". Это особая отрасль астрономии, так называемая космология. Космология – учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной, кстати, не следует смешивать понятия Вселенной в целом и "наблюдаемой" (видимой) Вселенной. Во II случае речь идет речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований. С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением однородной и изотронной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель – это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать образ реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного "слепка" Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотронной Вселенной.

    Звезды  во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

    Число звезд в галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1”. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние пройденное светом в течении года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

    В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное  скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефид.

    Звезды  верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефиды, составляют более молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

    Масса нашей галактики оценивается  сейчас разными способами, равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астрономом В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

    В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

    Существует  два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

    Рассеянные  скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

    Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они  содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

    Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно  рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звезды. Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной части туманности – 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца.

    Во  Вселенной нет ничего единственного  и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

    Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны.

    Однако, самым, пожалуй, загадочным явлением во Вселенной до сих пор остаются черные дыры. 
 

    Черные  дыры. Непреодолимое  притяжение. 

    Чёрная  дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой  настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

    Двигаясь  с достаточно большой скоростью, можно преодолеть притяжение Земли. Увеличьте скорость и Вы преодолеете  притяжение Солнца - силу, которая удерживает планеты на местах. Двигаясь еще  быстрей, можно преодолеть притяжение миллиардов звезд, целой галактики - Млечного пути. Но есть объект, притяжение которого преодолеть невозможно. Как бы быстро Вы не двигались - даже со скоростью света.

       Это черная дыра в действии. Она уничтожает все, что к  ней приближается. Абсолютно все!  Что делает её такой мощной? Как можно с такой легкостью уничтожать планеты и звёзды? С помощью гравитации – силы, которая удерживает нас на поверхности планеты. Тяжелое тело притягивает к себе другие тела. Наша планета тяжелая, чтобы улететь с неё надо затратить много энергии. Если у Земли сильная гравитация, что же говорить о Солнце!

      Диаметр Солнца миллион четыреста  тысяч километров. Это настоящий  тяжеловес в солнечной системе. Но некоторые звезды еще больше. Их гравитация ошеломляюща. Но и это ничто по сравнению с черной дырой! Черная дыра обладает сумасшедшей гравитацией! Как возникло это чудовище – такое маленькое, но такое тяжелое? 
 

    Образование черных дыр. 

    Процессы  образования первичных черных дыр  с массой, меньшей солнечной, могли происходить лишь в адронную эру, когда средняя плотность вещества была достаточно высока. Первичных черных дыр образуется тем больше, тем больше была амплитуда начальных неоднородностей и чем “мягче” уравнения состояния вещества в момент их образования. Дальнейшая судьба первичных черных дыр зависит от их массы. Черные дыры с массой от 1015 до 1033 г могли бы доживать до настоящего времени и оказаться “живыми свидетелями” процессов, происходивших во времени 10-23—10-5 с после “большого взрыва”.

    Пока  в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет «битву с гравитацией»: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением «вырожденного» вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. У сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферу с окружностью по экватору в 2p раз большей «гравитационного радиуса» черной дыры RG = 2GM/c2, где c – скорость света, а G – постоянная тяготения. Черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

    Момент  превращения звезды в чёрную дыру 

      Если астроном будет наблюдать  звезду в момент ее превращения в черную дыру, то сначала он увидит, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока не потухнет совсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силой тяжести свет теряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном никогда не дождется этого момента и тем более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом событий. Но теоретически этот процесс исследовать можно.

    Расчет  идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время  звезда сжимается в точку, где  достигаются бесконечно большие  значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, общий математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень маленьких пространственных масштабов, в чем мы пока не уверены. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации пока не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.

    Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населении Галактики  указывают, что среди 100 млрд. ее звезд  должно быть порядка 100 млн. черных дыр, образовавшихся при коллапсе самых  массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей.

    Как уже отмечалось, в нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающая  солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого ок. 15 млрд. лет  назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с массой более 1015 г могли сохраниться до наших дней. 

    Чёрные  дыры - это сверхплотные объекты  с такой сильной гравитацией, что даже свет не может из них  выйти. Чёрные дыры захватывают в  себя звёзды и любое другое, приблизившееся к ним, вещество, включая другие чёрные дыры. Эти необычные объекты образуются одним из двух способов - при коллапсе звезды или когда много звёзд и чёрных дыр коллапсируют вместе в ядре галактики.