Черные дыры

Обратный процесс  слияния двух черных дыр возможен. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн. Если при слиянии черных дыр с массами  М1 и М 2 образуется дыра с массой М, то уносимая излучением доля энергии epsilon =(M1 + M 2 —M)/(M1+ M 2 ) не превосходит величины 1—2 -3/2 = 0,64647... Если заряды этих дыр равны нулю или имеют одинаковый знак, то epsilon<1/2- Если к тому же черные дыры не вращаются и J1 = J 2 = 0, то epsilon< 1 —2 -2/2 = 0,2929... 
 

КАК ОБНАРУЖИТЬ ЧЕРНУЮ ДЫРУ? 

Одиночные черные дыры. Как же увидеть черную ды-ру, возникшую при коллапсе звезды? Одиночную  черную дыру можно обнаружить, только если она находится относительно недалеко от Солнца, поскольку светимость ее на два порядка слабее светимости Солнца. 

Межзвездный газ, аккрецирующий на черную дыру, нагревается  и может начать излучать. Основная часть излучения формируется  вдали от черной дыры, поэтому по его свойствам трудно отличить черную дыру от одиночной нейтронной звезды, обладающим слабым магнитным полем или с диаграммой направленности излучения, препятствующей наблюдению ее как пульсара. 

Черные дыры в двойных системах. Гораздо более  простой представляется задача обнаружения  черной дыры, если она образует двойную  систему вместе с обычной звездой. Случай, когда одна из компонент двойной системы в результате более быстрой эволюция образует черную дыру еще при жизни своего менее массивного компаньона, является благоприятным для наблюдения по следующим причинам. 

Во-первых, хотя сама черная дыра визуально не наблюдается, вращение видимой звезды вокруг общего центра масс приводит к периодическому изменению, связанному с эффектом Доплера, длин волн принимаемого излучения. Если массу видимой звезды найти, воспользовавшись известной зависимостью спектральных характеристик звезд от их массы, то, зная период вращения и максимальное значение проекции скорости видимой звезды на луч зрения наблюдателя, определяемые по характеристикам эффекта Доплера, можно вычислить минимальное значение массы невидимой компоненты. Если масса невидимой компоненты, определенная таким образом, окажется большой (например, порядка 5—10 солнечных масс), то это можно рассматривать как свидетельство того, что невидимая компонента является черной дырой, поскольку маловероятно для обычной звезды с такой большой массой остаться “невидимой”, а для звезд-малюток (белых карликов и нейтронных звезд) эти массы лежат вне допустимого предела их устойчивости. Предложение использовать “невидимость” в качестве, критерия при поиске черных дыр в двойных системах было высказано в начале 60-х гг. советскими астрофизиками Я. Б. Зельдовичем и О. X. Гусейновым. Однако среди звезд, отобранных по этому признаку, черную дыру, к сожалению, обнаружить не удалось. 

Во-вторых, среди  многочисленных двойных звезд существует довольно много тесных двойных систем, у которых расстояние между компонентами сравнимо с суммой радиусов звезд. Если черная дыра входит в состав такой системы, то скорость аккреции на нее значительно возрастает за счет вещества, перетекающего от обычной звезды и может достигнуть величины 10 -5 солнечной массы в год. Вещество, перетекающее от звезды, вследствие, вращения системы обладает большим угловым моментом, поэтому частицы не смогут сразу упасть на черную дыру и “вынуждены” занять круговую орбиту, соответствующую имеющемуся у них угловому моменту. 

В среднем порции газа требуется несколько недель или месяцев для того, чтобы  упасть в черную дыру. 

Таким образом, вокруг черной дыры образуется диск из аккрецирующего вещества (рис. 6). Плоскость этого диска совпадает с плоскостью, в которой движутся компоненты двойной системы, его диаметр составляет несколько миллионов километров, а толщина меньше 150000 км. Работа гравитационных сил частично превращается в кинетическую энергию движения газа, частично, из-за трения, переходит в тепло и разогревает аккрецирующий газ, который начинает интенсивно излучать рентгеновские лучи. Светимость диска может в сотни тысяч раз превосходить общую светимость Солнца, поэтому поиск черных дыр целесообразно вести, изучая мощные компактные космические источники рентгеновского излучения. 

Лебедь Х-1 —  черная дыра? Один из рентгеновских  источников в двойных системах, расположенный  в созвездии Лебедя и получивший название Лебедь Х-1, привлек к себе внимание. В 1971 г. в результате исследований этого источника на американском спутнике “Ухуру” и с помощью рентгеновских телескопов па высотных баллонах удалось с большой точностью установить его положение. В том же году были зарегистрированы изменения его рентгеновской светимости и одновременно с этим наблюдалось резкое возрастание излучения от радиоисточника, расположенного в этом же районе. Это позволило отождествить рентгеновский и радиоисточники и тем самым зафиксировать положение рентгеновского источника с точностью до угловой секунды. Внутри этой области была обнаружена горячая го лубая звезда HDE 226868, которая оказалась спектрально двойной, с периодом 5,6 суток. Позднее было обнаружено, что и излучение рентгеновского источника обладает периодической компонентой с таким же периодом. Тем самым было доказано, что рентгеновский источник входит в двойную систему вместе со звездой HDE 226868. Эта звезда расположена на расстоянии более 6500 световых лет от Солнца, имеет массу более 20 солнечных масс, а масса ее невидимого компаньона (источника рентгеновского излучения) оказалась более 8 масс Солнца. Поскольку эта масса существенно превышает предельную массу нейтронной звезды, то естественно предположить, что рентгеновский источник Лебедь Х-1 является черной дырой. Все, что нам известно об этом источнике, можно понять в рамках модели аккрецирующего диска вокруг черной дыры. Однако уникальность этого объекта и то огромное значение, которое имело бы для физики и астрофизики достоверное открытие первой черной дыры, заставляют астрофизиков относиться с огромной осторожностью к вынесению “окончательного приговора”. Можно надеяться, что в недалеком будущем после более тщательных и детальных исследований свойств этого объекта удастся полностью исключить другие мыслимые возможности, например, исключить возможность того, что Лебедь Х-1 является нейтронной звездой в тройной системе, и получить достоверное доказательство того, что первая черная дыра во Вселенной уже открыта. 

Массивные и  сверхмассивные черные дыры. Черные дыры могут служить крайне эффективными источниками энергии, обладая "в  принципе возможностью полного превращения массы покоя падающего на них вещества в энергию. Даже с учетом неизбежных потерь реально возможно превращение в черных дырах в энергию от нескольких процентов до десятков процентов массы аккрецируемого вещества. Поэтому о черных дырах вспоминают каждый раз, когда требуется объяснить выделение колоссальных энергий в компактных областях пространства. Одним из наиболее значительных примеров подобного “использования” черных дыр является идея объяснения активности ядер галактик и квазаров наличием в них черной дыры с массой порядка 10 8 солнечных масс. При падении на нее межзвездного вещества, участвующего во вращении галактик и звезд, вокруг такой черной дыры образуется аккреционный диск, максимум излучения которого лежит в ультрафиолетовом и оптическом диапазоне. Модель черной дыры в ядрах активных галактик и квазаров успешно выдерживает соревнование с другими возможными объяснениями природы активности ядер, например, такими как наличие в ядре компактного звездного скопления или сверхмассивного вращающегося магнитоплазменного тела, однако окончательной ясности в этом вопросе нет. 

Резюмируя краткий  экскурс в теорию эволюции звезд  и астрофизику, подчеркнем, что при  определенных условиях черные дыры должны возникать в качестве конечного  продукта развития звезды, более того, имеются серьезные основания считать, что первая черная дыра уже открыта; сомнения, которые имеются, касаются главным образом того, как часто черные дыры образуются и действительно ли нам повезло, и мы уже наткнулись в созвездии Лебедя на черную дыру.  
 
 
 

ЧТО ВНУТРИ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ? 

Теоремы о сингулярностях. Область пространства-Времени внутри черной дыры недоступна для изучения отдаленному наблюдателю. Однако падающий вместе с ; коллапсирующим телом наблюдатель  может “увидеть” происходящие там события. Таким образом, предсказания теории, касающиеся внутренности черной дыры, в принципе допускают проверку. Своеобразие этой проверки состоит в том, что результаты ее не могут быть сообщены наружу и использованы для сравнения с теорией физиками, находящимися вне черной дыры. 

Учет квантовых  эффектов и открытие хокинговского  излучения, по-видимому, несколько изменяют эту ситуацию. При уменьшений размера  черной дыры в резулътате квантового испарения ее радиус становится все мень ше и меньше, и свойства гравитационного поля в обла стях, находившихся до начала испарения под гравит,а- ционным радиусом, могут повлиять на сам характер ис парения. При сферическом коллапсе все тела, попавшие под гравитационный радиус, достигают за время порядка R R /c физически особой точки r = 0, в которой кривизна пространства-времени формально обращается в беско нечность. В 1965 г. английский физик Р. Пенроуз дока зал теорему, утверждающую, что и в самом общем слу чае, если только выполняются уравнения Эйнштейна, 

плотность энергии положительна и начальные данные полностью определяют решение в будущем, внутри черной дыры обязательно имеются особые точки, в которых обрываются мировые линии. Эта и другие подобные.тео-ремы, доказанные Р. Пенроузом и С. Хокингом в конде 60-х гг., указывают на то, что в рамках классических уравнений Эйнштейна появление сингулярностей внутри нерной дыры в процессе коллапса является неизбежным. 

Принцип “космической цензуры”. Строго говоря, появление, сингулярностей в теории сигнализирует о том, что эта теория является неточной или неполной. Поэтому уже сам факт существования сингулярностей бросает, вызов теоретикам. При описании свойств черных дыр с точки зрения внешнего наблюдателя сингулярности, лежащие под горизонтом, никак себя не проявляют. Иное дело, если сингулярность образуется вне горизонта событий. Существование таких сингулярностей, получивших название “голых”, означало бы нарушение свойства детерминированности теории. Принято считать, чтб в физически приемлемых ситуациях голые сингулярности не образуются. 

Соответствующий принцип, получивший название принципа “космической цензуры”, был сформулирован  Р. Пенроузом в 1969 г. Согласно этому  принципу, прежде чем в процессе гравитационного коллапса неограниченно  возрастет кривизна и разовьется сингулярность, гравитационное поле достигает такой силы, что перестает выпускать информацию наружу, т. е. возникает горизонт событий, окружающий сингулярность. И хотя принций “космической цензуры” выглядит весьма правдоподобно, а многочисленные работы, содержащие анализ различных мысленных экспериментов, его подтверждают, тем не менее до сих пор отсутствует достаточно общее строгое доказательство этого принципа. Доказательство принципа “космической цензуры” и выяснение условий, при которых он справедлив, являются одной из наиболее важных нерешенных задач общей теории относительности { Сам Пенроуз так высказался об этой ситуации: “Таким образом, мы имеем дело, возможно, с самым фундаментальным нерешенным вопросом общерелятивистской теории коллапса, а именно: существует ли “космический цензор”, запрещающий появление голых сингулярностей и облачающий каждую из них в абсолютный горизонт событий?”} . 

Пространство-время  вблизи сингулярности незаряженной невращающейся черной дыры. Если коллапси-рующее тело, образующее черную дыру, в момент пересечения горизонта обладало незначительными отклонениями от сферической симметрии, то возникающая нестационарная черная дыра слабо отличается от шварцшильдовской. В процессе дальнейшего сжатия под горизонтом событий отклонение от симметрии нарастает, и можно было бы ожидать, что даже малые первоначальные возмущения существенно изменяют свойства пространства-времени вблизи сингулярности. 

В 1978 г. советские  физики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков  обратили внимание на то, что хотя наблюдатель, падающий вместе с коллапсирующим телом, действительно столкнется с ростом возмущений, тем не менее наблюдатель, падающий внутрь черной дыры через длительное время после ее образования, обнаружит, что возмущения исчезают и пространство-время вблизи сингулярности практически не отличается от идеального сферически-симметричного пространства-времени, описываемого геометрией Шварцшильда. Причина исчезновения возмущений вблизи сингулярности та же, что при перестройке поля в процессе превращения черной дыры в стационарную. Наличие “веса” приводит к “падению” возмущений на сингулярность, так что влияние источников подобных возмущений, находящихся на коллапси-рующем теле, вымирает вблизи r = 0 при удалении от границы этого тела. 

Внутренность  заряженной и вращающейся черной дыры. Хотя при внесении малого заряда или малого углового момента свойства черной дыры изменяются незначительно, глобальные свойства точных решений уравнений Эйнштейна, как показывает их анализ, претерпевают качественное изменение. При коллапсе заряда Q возрастающие дальнодействующие силы отталкивания способны остановить сжатие и заряд начнет расширяться 9 . Если справедлив принцип причинности, а у физиков есть все основания считать, что это так, то при расширении заряд обязан выйти в какую-то другую область пространства-времени, сигналы из которой не достигают наблюдателя, расположенного вне черной дыры. Соответствующее точное решение уравнений Эйнштейна показывает, что это пространство находится в абсолютном будущем. Более того, формально возможен процесс коллапса и расширения заряда без развития сингулярности. Нарушения теоремы Пенроуза о сингулярностях не происходит, поскольку оказывается нарушенным одно из условий теоремы, а именно, дальнейшая эволюция заряда оказывается непредсказуемой. Эта эволюция зависит не только от начальных данных, но и от задаваемых произвольно свойств того мира, куда заряд выходит. Аналогичная ситуация имеет место в случае если система вращается. 

В 1979 г. советские  физики И. Д. Новиков и А. А. Старобинский обратили внимание на то, что учет квантового рождения частиц в электрическом поле может Качественно изменить ситуацию. Дело в том, что прежде чем произойдет остановка коллапса заряженного тела(, его электрическое поле настолько возрастает, что рождающиеся электрон-позитронные пары будут оказывать существенное влияние на метрику. Анализ этого влияния приводит к выводу, что выход в новое пространств, По-видимому, невозможен, а ситуация в целом близка К той, которая имеет место при сферическом коллапсе незаряженного вещества.