Черные дыры

Черные  дыры  

СОДЕРЖАНИЕ 

Особенности сил  тяготения

Что такое черная дыра?

Общие свойства черных дыр

Как обнаружить черную дыру?

Что внутри черной дыры?  
 

ОСОБЕННОСТИ СИЛ ТЯГОТЕНИЯ 

Одним из наиболее удивительных предсказаний теории тяготения  Эйнштейна является возможность существования черных дыр — компактных массивных объектов, обладающих столь сильным гравитационным полем, что никакие физические тела, никакие сигналы не могут вырваться из них наружу. И хотя черные дыры с полной достоверностью пока еще не открыты, имеется немало причин, по которым они привлекают к себе в последние годы пристальное внимание ученых. По-видимому, наиболее важной из них является то, что обнаружение черных дыр имело бы значение, далеко выходящее за рамки астрофизики, поскольку речь идет не об открытии еще одного, быть может, довольно удивительного астрофизического объекта, а о проверке правильности наших представлений о свойствах пространства и времени в сильных гравитационных полях. 

Теоретические исследования свойств черных дыр и возможных следствий гипотезы об их существовании особенно интенсивно развивались последние 15 лет. Наряду с изучением тех особенностей черных дыр, которые важны для понимания их возможных астрофизических проявлений, теоретические исследования позволили обнаружить ряд неожиданных закономерностей, ирису-1Дих физическим взаимодействиям с участием черных Дыр и установить глубокую связь физики черных дыр. С такими на первый взгляд далекими областями, как Термодинамика и теория информации. О черных дырах, их месте в астрофизике и об их удивительных свойствах и пойдет речь ниже. 

Самое “слабое” взаимодействие. За возникновение черных дыр ответственны силы тяготения, вероятно, самого удивительного из всех известных  физике взаимодействий, Начнем с того, что гравитационное взаимодействие — самое слабое. О его слабости можно судить, 

например, по такому факту. Если принять за единицу энергию  ядерного (сильного) взаимодействия между  двумя протонами на расстоянии порядка  размера протона, 2*10 -14 см, то энергия  их электромагнитного взаимодействия будет в e 2 / - hc~1/137 Раз ( - h - аш с чертой) меньше, энергия слабого взаимодействия достигает 10 -5 , а энергия гравитационного притяжения составит всего лишь 10 -38 . И несмотря на это, силы тяготения не только были открыты первыми, а закон Ньютона, описывающий эти силы, послужил отправной точкой для описания других взаимодействий, но и в подавляющем числе явлений в астрофизике и космологии гравитация играет основную роль. Причина этого состоит в том, что тяготение обладает рядом замечательных свойств, ведущих к его многократному усилению, не будь которого, это взаимодействие скорее всего вообще не было бы открыто. Что же это зa свойства? 

Гравитационные  силы — дальнодействующие. Свойство дальнодействия означает, что сила, действующая на пробную частицу со стороны тела, создающего поле, медленно, по степенному закону, уменьшается с расстоянием. Благодаря этому свойству пробная частица испытывает тяготение со стороны всех частей массивного тела, в том числе и достаточно от нее удаленных. Этим свойством наряду с тяготением обладает Электромагнитное взаимодействие, в то время как сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими и имеют малые радиусы действия. Физическая причина такого различия состоит в том, что кванты, переносчики сильного и слабого взаимодействия, обладают ненулевой массой покоя, что приводит к экспоненциально быстрому убыванию силы на расстояниях, превышающих комптоновскую длину волны lambda = - h/тс этих квантов. Радиусы действия сильного и слабого взаимодействий ~ 10 -13 и 10 -17 см соответственно. Кванты электромагнитного поля, фотоны, и кванты гравитационного поля, гравитоны, — частицы безмассовые, и сила взаимодействия между парой электрических зарядов или массивных тел убывает по известному степенному закону: сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. 

Гравитационные  силы имеют один знак. Между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями имеется, однако, существенное отличие. В природе существуют электрические  заряды двух видов: положи- 

тельные и отрицательные, причем одноименные заряды отталкиваются. Это приводит к тому, что в макроскопических телах электрический заряд обычно практически скомпенсирован, в противном  случае они были бы разорваны на части мощными силами электростатического отталкивания. Более того, при отсутствии, сторонних сил процессы в системах с заряженными телами протекают таким образом, чтобы уменьшить потенциальную энергию, при этом заряды противоположных знаков будут компенсироваться. Все это приводит к тому, что в естественных условиях электрический заряд макроскопических тел оказывается пренебрежимо малым, 

Напротив, “заряды  тяготения” — массы — всегда имеют один и тот же знак, причем они не отталкиваются, а притягиваются  друг к другу. При этом чем тело массивнее, тем оно более устойчиво относительно “развала”. Для гравитационного взаимодействия характерен следующий, механизм самоусиления: массивное тело притягивает к себе вещество, падающее вещество увеличивает массу тела и, следовательно, его способность. Притягивать. Силы тяготения, ничтожно малые для отдельных элементарных частиц, суммируясь при составлении из них макроскопического тела, могут достигать огромной величины, вырастая в космическом масштабе, в могучий, нередко определяющий фактор. При этом малость константы гравитационного взаимодействия компенсируется большой величиной гравитационного заряда. Описанный выше механизм самоусиления приводит к тому, что в тех масштабах, в которых тяготение доминирует над другими взаимодействиями, однородное распределение вещества оказывается неустойчивым и рост случайных неоднородностей вызывает развитие, в частности, таких наблюдаемых структур, как планеты, звезды, галактики и скопления галактик. 

Универсальность гравитационного взаимодействия. Гравитационное взаимодействие обладает еще одним, крайне важным, отличительным свойством — оно универсально. Для каждого из остальных, перечисленных выше взаимодействий существуют нейтральные частицы, тогда как все объекты, существующие в природе (включая и поля), порождают гравитационное поле. В роли гравитационного заряда выступает полная масса т системы, которая, как учит специальная теория 

относительности, связана с полной энергией системы  Е соотношением т=Е/с 2 . Именно поэтому  все объекты природы, обладая  энергией, непременно участвуют в гравитационном взаимодействии. “Весит”, в частности, и само гравитационное поле, что приводит к существенной нелинейности уравнений Эйнштейна, описывающих тяготение. 

ЧТО ТАКОЕ ЧЕРНАЯ ДЫРА? 

Вывод Лапласа. Гравитационное поле тем сильнее, чем больше масса тела и чем меньше размер области пространства, в которой это тело сосредоточено. Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас, исследуя распространение света в поле тяготения, пришел к выводу, что в природе могут встречаться тела, абсолютно черные для внешнего наблюдателя. Поле тяготения таких тел настолько велико, что не вы пускает наружу лучей света. На языке космонавтики это означает, что вторая космическая скорость была бы больше скорости света с. Вывод Лапласа основывался на следующем рассуждении. Для того чтобы преодолеть гравитационное притяжение, создаваемое телом с массой М, и улететь на бесконечность, пробное тело на поверхности этого тела радиуса R должно обладать скоростью v, такой, что v 2 /2>=GM/R. Считая, что это соотношение применимо для света, мы вместе с Лапласом приходим к заключению, что если масса объекта сосредоточена в области с радиусом, меньшим так называемого гравитационного радиуса тела? R g :R g = =2GМ/с 2 ~=~1,5-10 -28 М (масса М измеряется в граммах, R g — в сантиметрах), то даже свет не выйдет за пределы этой области. Для Солнца гравитационный радиус — около 3 км, для Земли — порядка 1 см. 

Теория Эйнштейна  — ключ к проблеме черных дыр. Вывод  Лапласа, строго говоря, является ошибочным, поскольку он основан на классической механике и 'теории тяготения Ньютона. В действительности, однако, нельзя пользоваться ни той, ни другой: распространение света подчиняется законам релятивистской механики, а сильное поле тяготения, т. е. поле, гравитационный потенциал которого phi = GM/R в единицах с 2 порядка единицы: phi/с 2 ~1, описывается общей теорией относительности. Тем не менее, как это иногда случается в истории науки, обе “ошибки” Лапласа точно скомпенсировали друг друга и вывод о невозможности выхода световых сигналов из-под гравитационного радиуса оказался совершенно правильным. Более того, связанный со специальной теорией относительности и справедливый в общей теории относительности запрет на существование в природе сигналов, переносящих информацию со скоростью, большей скорости света, придал утверждению о невозможности получения какой-либо информации о событиях, происходящих под гравитационным радиусом, еще более категорический смысл. 

Подобное тело, сжатое до размера своего гравитационного  радиуса, получило название черной дыры, а границу черной дыры, т. е. поверхность, ограничивающую область, откуда невозможен выход сигналов, стали называть горизонтом событий. Хотя вывод Лапласа о возможности существования черных дыр сохраняется и в общей теории относительности Эйнштейна, само описание этого объекта имеет существенные отличия. Прежде чем перейти к точному определению черных дыр и к рассказу об их удивительных свойствах, необходимо хотя бы несколько слов сказать об эйнштейновской теории гравитации. 

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНЫХ ДЫР 

Несферический гравитационный коллапс. При сжатии сферически-симметричного тела гравитационное поле вне этого тела остается неизменным (статическим). Это утверждение в  общей теории относительности известно как теорема Биркгофа. При коллапсе вращающихся тел и тел несферической формы гравитационное поле оказывается нестационарным — происходит излучение гравитационных волн. Черная дыра, возникающая в результате этого коллапса, также нестационарна, т. е. ее форма и размер зависят от времени. Часть гравитационных волн уходит на бесконечность, другая часть поглощается черной дырой, что приводит к увеличению ее энергии. Если черная дыра предоставлена самой себе, то с течением времени процесс излучения гравитационных волн прекращается и черная дыра становится стационарной. 

Замечательным оказывается то, что всякая черная дыра, переходя в стационарное состояние, обязательно превращается в керровскую или в случае, если тело обладало электрическим зарядом, керр-ньюмановскую черную дыру, свойства которой однозначно определяются значениями трех параметров: М — массы, J — углового момента и Q — заряда. После образования стационарной черной дыры все особенности внутреннего строения сколлапсировавшего тела, наличие в нем источников различных полей, кроме электромагнитного, связанного с зарядом Q,становятся недоступными для наблюдения. Подобные черные дыры, обладающие одинаковыми значениями параметров М, J и Q, неотличимы друг от друга. Все остальные характеристики, которыми обладало коллапсирующее тело (такие, как мультипольные гравитационные и электромагнитные моменты, заряды, связанные с другими взаимодействиями (например, сильным и слабым и т. п.), забываются черной дырой. 

Физическая причина  этого состоит в следующем. Любое  физическое поле, обладая энергией, притягивается черной дырой. Поэтому любой элемент объема с таким полем около черной дыры обладает весом. Связанные с полем натяжения проявляются в виде давления со стороны поля на поверхность объема, приводя к “выталкивающей силе”, аналогичной силе Архимеда. Физическое поле может находиться в равновесии около черной дыры, т. е. быть стационарным, если вес поля в любом элементе объема в точности компенсируется “выталкивающей силой”. Если вне черной дыры нет источников полей, то выполнение этого своеобразного “закона Архимеда” оказывается возможным только для таких конфигураций гравитационного и электромагнитного полей, которые отвечают случаю керр-ньюмановской черной дыры. Во всех остальных случаях элемент поля либо “всплывает”, либо “тонет”. После этого процесса перестройки поля, сопровождаемого излучением, черная дыра сохраняет только те характеристики, которые она не способна сбросить при излучении, — массу, угловой момент и электрический заряд. 

Теорема Хокинга. Хотя детальное описание процесса перестройки поля и превращения черной дыры в стационарную представляет собой довольно сложную задачу, этот процесс подчиняется одной общей закономерности, установленной английским физиком С. Хокингом в 1972 г.: площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться со временем. Соответствующая плоскости t1, t2, t 3 обозначают пространственные сечения в соответствующие моменты времени, S 0 (t l ) — площадь черной дыры о в момент времени t i . Две черные дыры могут сливаться в одну, черные дыры могут возникать, площадь поверхности одиночной черной дыры возрастает со временем. Одна черная дыра не может распасться на две или более черных дыр. Теорема Хокинга утверждает, что общая площадь поверхностей черных дыр в момент ( является неубывающей функцией времени 

теорема была доказана им при самых широких предположениях, среди которых наиболее существенным является предположение о положительности  плотности энергии вещества и  физических полей, с которыми взаимодействует  черная дыра. Это предположение, безусловно справедливое в рамках классической физики, мо- 

жет, однако, нарушаться при учете квантовых эффектов, Доказательство этой теоремы основано на том, что падение в черную дыру вещества и поля, плотность энергии  которых положительна, приводит к  возрастанию энергии черной дыры, а следовательно, и площади ее поверхности. Для невращающейся незаряженной черной дыры в этом легко убедиться, используя связь между массой М и площадью поверхности А : А = = 16pi(GM/c 2 ) 2 , Обратный процесс извлечения вещества и энергии из-под горизонта событий невозможен. 

Теорема Хокинга  справедлива и в более общем  случае, когда имеется несколько  черных дыр. При их взаимодействии сумма  площадей поверхностей черных дыр не уменьшается со временем. Используя  эту теорему, удается, в частности, доказать, что одиночная черная дыра не может распасться на две меньшие черные дыры. Для того чтобы убедиться в этом, предположим сначала, что процесс распада черной дыры с массой М, угловым моментом J и зарядом Q возможен, и в результате этого процесса образуются две далеко отстоящие друг от друга черные дыры с массами М1 и М 2 , угловыми моментами J1 и J2 и зарядами Q1 и q2. В соответствии с .законами сохранения энергии и электрического заряда Q = Q1 + Q2, M>=M1+M2 

Неравенство возникает  из-за того, что часть энергии при распаде может быть унесена гравитационным, а при наличии заряда — и электромагнитным излучением. Это излучение может унести также полный угловой момент или часть его. Можно убедиться, что эти соотношения противоречат условию возрастания площади поверхности черных дыр: A1+A 2 >=A.