Черные дыры и их роль в организации Вселенной

    Оба типа чёрных дыр могут вращаться  очень быстро, увлекая за собой  пространство вокруг них. Когда много  вещества падает на чёрную дыру, оно закручивается как в водовороте. С помощью рентгеновских и радио-наблюдений астрономы могут быть свидетелями таких событий, в том числе и струй из чёрных дыр, но они не могут увидеть саму чёрную дыру. 
 

    Слияние чёрных дыр. 

    Слияние двух черных дыр – одно из самых странных и загадочных процессов, которые должны происходить во Вселенной и которые современная астрономия жаждет увидеть непосредственно в реальности.

    При слиянии чёрных дыр в окружающее пространство выделяется огромное количество энергии, уступающее лишь энергии Большого взрыва, и со скоростью света распространяются гравитационные волны. Существование таких волн было предсказано ещё Альбертом Эйнштейном почти сто лет назад, однако обнаружить их экспериментально до сих пор не удалось. Более того, из-за сложности уравнений общей теории относительности Эйнштейна исследователи до последнего времени не могли воссоздать картину гравитационных волн даже на компьютере. Впрочем, теперь эта задача уже решена.

    Астрономы ранее высказывали предположение, что при столкновении галактик черные дыры, находящиеся в их центрах, могут сливаться. Новая компьютерная модель подтверждает, что такие колоссальные события действительно происходят с частотой примерно раз в год.

    Некоторые галактики выбрасывают потоки энергии в двух противоположных направлениях вдоль оси вращения. Предполагается, что эти потоки возникают под воздействием черных дыр, которые нельзя увидеть непосредственно. Исследуя галактики с помощью радиотелескопа, ученые обнаружили, что у 7% галактик наблюдается внезапный сдвиг в направлении энергетических потоков. Изменение направления потоков свидетельствует о нарушении равновесия в галактической системе.

    Новая модель показывает, каким образом  перестраиваются энергетические потоки галактик и подтверждает, что взаимное притяжение черных дыр заканчивается их слиянием, а не бесконечным вращением вокруг друг друга. Моделирование показало, что при слиянии крупных галактик, черные дыры смещаются к центру объединенной галактики. Приближаясь к центру, черные дыры будут вытеснять близлежащие звезды, разрушая тем самым механизм их взаимного притяжения. После слияния объединённая чёрная дыра интенсивно поглощает межзвёздную пыль и газ. Таким образом из небольших чёрных дыр образуются чёрные дыры средней массы, которые затем формируют сверхмассивные чёрные дыры в центре галактик. Масса таких чёрных дыр может превышать массу солнца в миллиарды раз.

      До недавнего времени предполагали, что гигантские чёрные дыры  сформировались на ранних стадиях  образования галактик. С открытием чёрных дыр среднего размера (с массой от 500 до 80000 масс солнца) эта теория находится под вопросом. Видимо гигантские чёрные дыры непрерывно образуются за счёт слияния чёрных дыр среднего размера и растут, поглощая малые чёрные дыры и межзвёздную пыль.

       Ученые пока не могут объяснить,  что притягивает черные дыры  друг к другу после того, как  они лишаются своего окружения.  Но когда расстояние между  ними уменьшается до размера  солнечной системы, черные дыры  начинают испускать энергию в виде гравитационных волн. Затем они начинают неуклонно скользить навстречу, все быстрее и быстрее закручиваясь в спираль. Финальное слияние вызывает сильнейший выброс гравитационной энергии.

    Исследование  галактик, испускающих гравитационные потоки, позволяет предположить, что подобные гигантские столкновения происходят в окружающей нас вселенной примерно раз в год. 
 

    Свойства  чёрных дыр. 

    Черные  дыры имеют много весьма экстравагантных  свойств, которыми не обладают другие звезды, даже очень экзотические, вроде нейтронных. Прежде всего, они являются звездами-невидимками. Для того чтобы можно было увидеть предмет, надо, чтобы от него к нам поступил видимый свет. Если предмет невидим в видимом свете, то надо иметь возможность зарегистрировать другое излучение, которое исходит от него: инфракрасное, рентгеновское, радио и т.д. Так вот, очень плотные звезды, которые были названы черными дырами, не посылают в окружающее их пространство абсолютно никакого излучения, поэтому они невидимы ни в каких лучах. Для наблюдателя их просто нет. Само по себе это уже очень странно, поскольку объект, имеющий определенную массу и температуру, что-то должен излучать. Тем более что температура черных дыр может достигать миллиардов градусов.

    Все свойства черных дыр могут быть получены только из теории тяготения Эйнштейна, которая содержится в его обшей теории относительности.

    При сжатии звезды (с сохранением ее массы) ее радиус уменьшается, а сила тяготения увеличивается. Это естественно. Когда радиус станет равным нулю, сила тяготения должна стать бесконечно большой. Это следует из теории тяготения Ньютона. По теории А. Эйнштейна сила притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиус уменьшится до нуля. То есть она нарастает с уменьшением радиуса быстрее, чем по теории Ньютона. Тот радиус, при достижении которого сила тяготения стремится к бесконечности, принято называть гравитационным радиусом.

    Движение тела вокруг дыры на расстояниях ближе чем три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтому оно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению движения и частица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или же улетает в направлении от дыры.

    Если  тело летит из космоса вблизи черной дыры, то оно может быть ею захвачено. Пролетая мимо черной дыры, тело может обернуться вокруг дыры несколько раз и снова улететь в космическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близко к окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам. Но если оно село на эту окружность, то его орбита будет навиваться на нее. Это тело уже никуда от черной дыры не денется, она его гравитационно захватила. Еще более близкий подход тела к черной дыре чреват катастрофическими для него последствиями — оно упадет в черную дыру.

    Движущееся вокруг черной дыры тело излучает гравитационные волны. Вообще все небесные тела при своем движении излучают гравитационные волны. Но они несут очень малую энергию, и пока что их не удается замерить. Но если тело движется вокруг черной дыры, то излученные им за это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию (в шесть раз больше, чем при ядерном синтезе, когда в энергию превращается только один процент массы вещества).

    Движение  фотонов около черной дыры также  непроизвольно, Они могут подступиться к дыре не ближе чем на полтора гравитационных радиуса. Но это движение фотона неустойчиво, и он может быть сбит с траектории в ту или другую сторону. Ясно, что фотоны, как и тела, будут захвачены черной дырой, если подойдут к ней очень близко (ближе полутора гравитационных радиусов). Луч будет навиваться (как на клубок) на черную дыру, если его траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил еще ближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру. При удалении излучения от черной дыры происходит его покраснение, при приближении фотонов к дыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдатель должен заметить поголубение света. Многочисленные теоретические исследования различных аспектов проблемы черных дыр позволили установить, что определяющей (и пожалуй, даже единственной) характеристикой черных дыр является их масса. В чем-то другом отличия в них нет. Можно сказать, что черные дыры с одинаковой массой являются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то было показано, что они должны быть идеально сферическими. Любое отклонение от сферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения. Кстати, дыры сбрасывают также все возможные поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения, а также сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им до этого обладала). Кроме массы (это главное!) и электрического заряда черные дыры, вообще-то, характеризуются и характером их вращения. Ведь вращение определенным образом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокруг нее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационное поле целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трех параметров звезды: ее радиуса, массы и скорости вращения на экваторе). Из-за вращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дыры несколько расширяется. Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечно большой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названа границей эргосферы. Ее принципиальное отличие от горизонта состоит в том, что из-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зоне между горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательное движение (если они не двигались первоначально супротив него), но могут с течением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно за пределы эргосферы.

    Таким образом, вращение черной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является ее горизонт, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большая скорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальная линейная скорость равна скорости света.

    Установлено, что температура черной дыры обратно  пропорционально зависит от ее размеров. Уходящие от черной дыры частицы уносят часть ее энергии (а значит, и массы). Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно. Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс испарения дыры. Так этот процесс будет ускоряться. Температура при этом может достигнуть 10" градусов. Это наступает тогда, когда масса черной дыры уменьшится до тысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование черная дыра.

    Черные  дыры — это области пространства с предельно сильными гравитационными  полями, для изучения которых требуется  полный арсенал средств, предоставляемых  нам общей теорией относительности. Возможность открытия черных дыр, этих призрачных и загадочных объектов,— вот основная причина того повышенного интереса к теориям тяготения, которая наблюдается сегодня. 

    Внутри  черной дыры. 

    Невозможно наблюдать внутренность черной дыры, находясь вне ее. Хотя падающий в черную дыру астронавт и может в принципе производить наблюдения внутри нее, особенно если он выбрал для исследования сверхмассивную черную дыру, где в его распоряжении будет несколько часов и даже дней, прежде чем приливные силы приведут его к гибели, но он не может передавать информацию, не используя (запрещенных!) сверхсветовых сигналов. И тем не менее мы убеждены, что общая теория относительности в состоянии правильно описать все происходящее внутри черной дыры, за исключением, может быть, самой сингулярности.

    Для описания пространства-времени используется специальная диаграмма. Один из вариантов такой диаграммы предложил профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз; с помощью диаграммы Пенроуза на одном листе бумаги можно изобразить и саму черную дыру, и всю остальную часть Вселенной.

    Частица, падающая на черную дыру, должна двигаться  по временноподобной мировой линии, поскольку движение со сверхсветовыми скоростями, согласно теории, невозможно.

    Это подтверждается, в частности, тем, что на своем пути к сингулярности падающий в черную дыру астронавт нигде не превышает локально измеренную скорость света. Согласно же теории Ньютона, астронавт должен испытывать все возрастающее ускорение, и поэтому он упадет на сингулярность с бесконечно большой скоростью, безусловно превышающей скорость света.

    Ничто попавшее в черную дыру не может избежать падения на центральную сингулярность, поскольку даже внутри дыры частицы должны следовать по линиям, наклоненным к вертикали под углом меньшим 45°. При этом внутри черной дыры, сразу за горизонтом событий, происходят фундаментальные изменения характера пространства-времени. Если во внешнем пространстве тела свободны двигаться в произвольном направлении, то внутри черной дыры допустимо единственное движение — к сингулярности и разрушению в ней.

    Что же касается самой сингулярности, то известно о ней мало. Сингулярность представляет собой такую область пространства, где известные законы природы не выполняются, и поэтому невозможно предсказать, как там развиваются события и каковы их результаты.

    Внутри  черной дыры гравитация доминирует над  всеми другими силами, но если космическая  цензура все-таки есть, то мы никогда  не сможем наблюдать последствий  этой преобладающей роли тяготения  в экстремальной точке — центральной сингулярности. 
 

    Черные  дыры возникли во Вселенной  раньше галактик. 

    На  извечный вопрос астрономов, что появилось  раньше - черные дыры или галактики, похоже, найдется ответ, заявляют ученые.

    На  протяжении многих лет по этому вопросу существовало две теории: либо черные дыры собирали вокруг себя материю, в следствии чего образовались галактики или черные дыры появились в уже сформированных галактиках.

    Согласно  последним научным выводам черные дыры возникли раньше галактик. Исследователи заявили, что в ядре большинства, если не всех галактик, включая Млечный Путь, находятся массивные черные дыры.

    В ходе предыдущих исследований соседних галактик ученые проследили связь между  массой черной дыры и окружающего  ее скопления материи, состоящего из звезд и газов.  
 

    Заключение 

    Много интересного можно узнать о чёрных дырах, занимаясь их изучением вплотную. В безднах Вселенной так много  всего нового и неизвестного, что будет изучаться ещё долгое время.