Колапс важких зірок як з’являються чорні діри і чи можна їх побачити

Теоретично в чорну діру може перетворитися будь-космічне тіло. Наприклад, такий планеті, як Земля, для цього потрібно стиснутися до радіусу в кілька міліметрів, що на практиці, звичайно, малоймовірно. У новому випуску спецпроекту з премією «Просвітитель» TP публікують уривок з книги фізика Еміля Ахмедова «Про народження і смерті чорних дір». в якому пояснюється, як небесні тіла перетворюються в чорні діри і чи можна їх розглядати на зоряному небі.

Як утворюються чорні діри?

* Якщо якась сила стисне небесне тіло до відповідного його масі радіусу Шварцшильда, то воно настільки викривить простір-час, що навіть світло не зможе його покинути. Це і означає, що тіло стане чорною дірою.

Наприклад, для зірки з масою Сонця радіус Шварцшильда приблизно дорівнює трьом кілометрам. Порівняйте цю величину до цього розміром Сонця - 700 000 км. У той же час для планети з масою Землі радіус Шварцшильда дорівнює кільком міліметрів.

[...] Тільки гравітаційна сила здатна стиснути небесне тіло до таких маленьких розмірів, як його шварцшільдовскім радіус *, так як тільки гравітаційна взаємодія веде виключно до тяжінню, і фактично необмежено зростає при збільшенні маси. Електромагнітна взаємодія між елементарними частинками на багато порядків більше гравітаційного. Однак будь-який електричний заряд, як правило, виявляється компенсований зарядом протилежного знака. Гравітаційний заряд - масу ніщо не може заекранувати.

Така планета, як Земля, не стискується під власною вагою до відповідних розмірів Шварцшильда тому, що її маси недостатньо для подолання електромагнітного расталкивания ядер, атомів і молекул, з яких вона складається. А така зірка, як Сонце, будучи набагато більш потужним об'єктом, не стискується через сильний газодинамічного тиску за рахунок високої температури в його надрах.

Зауважимо, що для дуже масивних зірок, з масою більше ста Сонць, стиснення не відбувається в основному через сильний світлового тиску. Для зірок масивніше двохсот Сонць ні газодинамічного і ні світлового тиску виявляється недостатньо, щоб запобігти катастрофічному стиснення (колапс) такої зірки в чорну діру. Однак нижче йтиметься про еволюцію легших зірок.

Світло і висока температура зірок є продуктами термоядерних реакцій. Така реакція йде тому, що в надрах зірок досить водню і речовина сильно стисло під тиском всієї маси зірки. Сильне стиснення дозволяє подолати електромагнітне відштовхування однакових зарядів ядер водню, адже термоядерна реакція - це злиття ядер водню в ядро ​​гелію, що супроводжується великим виділенням енергії.

Рано чи пізно кількість термоядерного палива (водню) сильно скоротиться, світлове тиск ослабне, температура впаде. Якщо маса зірки досить мала, як, наприклад, у Сонця, то вона пройде через фазу червоного гіганта і перетвориться в білий карлик.

Якщо ж її маса велика, то зірка почне стискатися під власною вагою. Відбудеться колапс, який ми можемо побачити як вибух наднової. Це дуже складний процес, що складається з багатьох фаз, і поки не всі його деталі зрозумілі вченим, але багато вже зрозуміло. Відомо, наприклад, що подальша доля зірки залежить від її маси в момент перед колапсом. Результатом такого стиснення може бути або нейтронна зірка, або чорна діра, або ж комбінація з декількох подібних об'єктів і білих карликів.

«Чорні діри є результатом колапсу найважчих зірок»

Нейтронні зірки і білі карлики НЕ коллапсируют до стану чорної діри, так як їх маси недостатньо, щоб подолати тиск нейтронного або електронного газу відповідно. Ці тиску обумовлені квантовими ефектами, що вступають в силу після дуже сильного стиснення. Обговорення останніх не має безпосереднього відношення до фізики чорних дір і виходить за рамки даної книги.

Однак якщо, наприклад, нейтронна зірка знаходиться в подвійній зоряній системі, то вона може притягати матерію із зірки компаньйона. В такому випадку її маса буде рости і, якщо вона перевищить деяке критичне значення, знову відбудеться колапс, вже з утворенням чорної діри. Критична маса визначається з умови, що газ нейтронів створює недостатній тиск, щоб утримати її від подальшого стиснення.

Отже, чорні діри є результатом колапсу найважчих зірок. У сучасному уявленні маса серцевини зірки після вигоряння термоядерного палива повинна становити не менше двох з половиною сонячних *. Ніяке відоме нам стан речовини не здатне створити такий тиск, який утримало б таку велику масу від стиснення до стану чорної діри, якщо вигоріло все термоядерна паливо. Факти, експериментально підтверджують згадане обмеження на масу зірки для освіти чорної діри, ми обговоримо трохи пізніше, коли буде розказано, як астрономи виявляють чорні діри. [...]

Мал. 7. Неправильне уявлення про колапс з точки зору стороннього спостерігача як про сповільнюється вічному падінні замість формування горизонту чорної діри

У зв'язку з нашим обговоренням повчально буде на прикладі згадати про взаємозв'язок різних ідей і уявлень в науці. Ця розповідь, можливо, дозволить Новомосковсктелю відчути, наскільки потенційно глибокий обговорюване питання.

Відомо, що Галілей прийшов до того, що зараз називається законом Ньютона про інерційних системах відліку, відповідаючи на критику системи Коперника. Критика полягала в тому, що Земля не може обертатися навколо Сонця по причині того, що інакше ми б не втрималися на її поверхні.

У відповідь Галілей стверджував, що Земля обертається навколо Сонця по інерції. А инерциальное рух ми не можемо відрізнити від спокою, так само як не відчуваємо инерциальное рух, наприклад, корабля. При цьому він не вірив в гравітаційні сили між планетами і зірками, тому що не вірив в дію на відстані, а про існування полів він і зовсім не міг знати. Та й не прийняв би настільки абстрактного на той момент пояснення.

Галілей вважав, що инерциальное рух може відбуватися тільки за ідеальної кривої, тобто Земля може рухатися тільки по колу або ж по колу, центр якої, в свою чергу, обертається по колу навколо Сонця. Тобто може існувати накладення різних інерційних рухів. Останній тип руху можна ускладнити, додавши ще більше кіл в композиції. Таке обертання називається рухом по епіциклам. Воно було придумано ще для узгодження птолемеевой системи з спостерігаються положеннями планет.

Повчально те, що в принципі система Птолемея могла описувати спостережувані дані з будь-якої наперед заданою точністю - потрібно було тільки додати необхідну кількість епіциклів. Однак, незважаючи на всі логічні суперечності в початкових уявленнях її творців, тільки система Коперника могла привести до концептуального перевороту в наших поглядах на природу - до закону всесвітнього тяжіння, який описує як рух планет, так і падіння яблука на голову Ньютона, а в подальшому і до поняття поля.

Тому Галілей заперечував кеплерівський рух планет по еліпсам. Вони з Кеплером обмінювалися листами, які були написані в досить-таки дратівливому тоні *. І це не дивлячись на їх повну підтримку однієї і тієї ж планетарної системи.

Отже, Галілей вважав, що Земля рухається навколо Сонця по інерції. З точки зору механіки Ньютона це явна помилка, так як на Землю діє гравітаційна сила. Однак з точки зору загальної теорії відносності Галілей повинен бути прав: в силу цієї теорії, в гравітаційному полі тіла рухаються по інерції принаймні тоді, коли їх власної гравітацією можна знехтувати. Такий рух відбувається по так званій геодезичної кривої. У плоскому просторі це просто пряма світова лінія, а в разі планети Сонячної системи це така геодезична світова лінія, яка відповідає еліптичної траєкторії, а не обов'язково кругової. На жаль, Галілей цього не міг знати.

Однак із загальної теорії відносності відомо, що рух відбувається по геодезичної, тільки якщо можна знехтувати викривленням простору самим рухомим тілом (планетою) і вважати, що воно викривляється виключно гравитирующего центром (Сонцем). Виникає природне запитання: так чи правий був Галілей з приводу инерциальности руху Землі навколо Сонця? І хоча це вже й не настільки важливе питання, тому що тепер ми знаємо причину, по якій люди не злітають з Землі, можливо, він має відношення до геометричного опису гравітації.

Як можна «побачити» чорну діру?

[...] Перейдемо тепер до обговорення того, як чорні діри спостерігаються на зоряному небі. Якщо чорна діра поглинула все речовина, яке її оточувало, то її можна побачити тільки через спотворення променів світла від далеких зірок. Тобто якби недалеко від нас виявилася чорна діра в такому чистому вигляді, то ми побачили б приблизно те, що зображено на обкладинці. Але навіть зустрівши подібне явище, не можна бути впевненим, що це чорна діра, а не просто масивне, що не світяться тіло. Потрібна певна робота, щоб відрізнити одне від іншого.

Однак в реальності чорні діри оточені хмарами, що містять елементарні частинки, пил, гази, метеорити, планети і навіть зірки. Тому астрономи спостерігають щось на зразок картинки, зображеної на рис. 9. Але як вони роблять висновок, що це саме чорна діра, а не якась там зірка?

Мал. 9. Реальність набагато прозаїчніше, і нам доводиться спостерігати чорні діри в оточенні різних небесних тіл, газів і хмар пилу

Для початку вибирають певного розміру область на зоряному небі, як правило, в подвійній зоряній системі або в активному ядрі галактики. За спектрами випромінювання, що виходить з неї, визначається маса і поведінку речовини в ній. Далі фіксують, що від даного об'єкту виходить випромінювання, як від падаючих в гравітаційному полі частинок, а не тільки від термоядерних реакцій, що йдуть в надрах зірок. Випромінювання, що є, зокрема, результатом взаємного тертя падаючої на небесне тіло матерії, містить значно більше енергійне гамма-випромінювання, ніж результат термоядерної реакції.

«Чорні діри оточені хмарами, що містять елементарні частинки, пил, гази, метеорити, планети і навіть зірки»

Якщо спостерігається область досить мала, не є Пульсаром і в ній зосереджена велика маса, то робиться висновок, що це чорна діра. По-перше, теоретично передбачене, що після вигоряння термоядерного палива не існує ніякого стану речовини, яке могло б створювати тиск, здатне запобігти колапсу настільки великої маси в такій маленькій області.

По-друге, як тільки що було підкреслено, що розглядаються об'єкти не повинні бути пульсарами. Пульсар - це нейтронна зірка, яка, на відміну від чорної діри, має поверхню і веде себе як великий магніт, що є однією з тих самих більш тонких характеристик електромагнітного поля, ніж заряд. Нейтронні зірки, будучи результатом дуже сильного стиснення вихідних обертових зірок, роблять ще більш швидкі обертання, бо кутовий момент повинен зберігатися. Це призводить до того, що такі зірки створюють магнітні поля, мінливі в часі. Останні відіграють основну роль при утворенні характерного пульсуючого випромінювання.

Всі знайдені на даний момент пульсари мають масу менше двох з половиною мас Сонця. Джерела характерного енергійного гамма-випромінювання, маса яких перевищує цю межу, не є пульсарами. Як видно, ця межа маси збігається з теоретичними передбаченнями, зробленими виходячи з відомих нам станів речовини.

Все це, хоча і не є прямим наглядом, являє собою досить переконливу аргументацію на користь того, що астрономи бачать саме чорні діри, а не що-небудь інше. Хоча що можна вважати прямим наглядом, а що ні - є великим питанням. Адже ви, Новомосковсктель, бачите не саму книгу, а лише розсіяний нею світло. І тільки сукупність тактильних і візуальних відчуттів переконує вас в реальності її існування. Точно так само і вчені роблять висновок про реальність існування того чи іншого об'єкта на підставі всієї сукупності спостережуваних ними даних.