Чёрная Дыра

Чёрная Дыра — гипотетически существующее массивное тело в пространстве и времени, гравитационное притяжение которого не позволяет покинуть его даже объектам, движущимся со скоростью света. Термин впервые употреблён в декабре 1967 года американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером (Wheeler, 9 июля 1911, Джексонвилл — 13 апреля 2008, Хайтстаун), взамен устаревшему названию «Шварцшильдовская сингулярность» и неустоявшимся терминам «сколлапсировавшая звезда», «застывшая звезда» или «коллапсар».

Теоретическое обоснование

Английский священник и естествоиспытатель Джон Митчелл (John Michell, 1724—1793) первым вычислил минимальную скорость частицы для того, чтобы она могла покинуть массивное тело. О своём открытии он сообщил Лондонскому королевскому обществу в письме от 26 мая 1783 года.

Расчёты Митчелла учитывали массу и диаметр сферического тела, и опирались на Ньютоновскую корпускулярную теорию света и его же законы тяготения. По современным вычислениям для Земли эта «скорость отрыва» примерно равняется 7 милям в секунду (11 км/с), а для Солнца скорость должна была составлять 383 мили в секунду (617 км/с) или 1/500 от скорости света (Митчелл не указывает конкретных скоростей и рассуждает на геометрическом языке пропорций).

Митчелл выяснил, что скорость отрыва должна быть пропорциональна квадрату массы тела и обратно пропорциональны его полудиаметру (или радиусу). Поэтому, при фиксированной массе тела, чем меньше его диаметр, тем больше должна быть скорость отрыва частицы. Следовательно, есть критический радиус (сейчас он называется «гравитационным радиусом» или «радиусом Шварцшильда»), для которого скорость отрыва корпускулы равна скорости света. И если световые корпускулы притягиваются массивным телом так же, как и все остальные частицы, то свет не сможет покинуть тело с радиусом менее критического. Частицы света, будучи испущены с поверхности такого тела, сначала остановятся, а затем упадут на поверхность тела. Такие тела будут не видны — и Митчелл назвал их «тёмными звёздами».

Митчелл рассчитал критический радиус тела, масса которого равна солнечной — он должен был составлять около 2–х миль (2,95 км), а для тел большей массы эта величина пропорционально увеличивается.

Цитаты

«Чрезвычайно важно, что такая задача — проверка ОТО в сильном поле, но вдали от сингулярности,— оказывается самым тесным образом связанной с актуальнейшими в физическом, астрономическом и космологическом планах вопросами о существовании, образовании и поведении чёрных дыр. Весьма любопытно, что понятие о чёрных дырах было, по сути дела, введено Лапласом ещё в конце XVIII века (Laplase P.S. «Le systeme du monde, v. 2»,— Paris, 1795). Лаплас отметил, что, согласно корпускулярной теории света и ньютоновской теории тяготения, достаточно массивное тело не может испускать света. ... О чёрных дырах вспомнили, по–видимому, лишь почти через 250 лет — в 1939 г.,— но уже на основе ОТО (Oppenheimer J.R, Snyder H.— Phys. Rev., 1939, v. 56, p. 455). Прошло ещё 25–30 лет (и примерно 50 лет после создания ОТО), прежде чем чёрные дыры заняли заметное, а затем и видное место в физике и астрономии. ... и до сих пор в некоторых курсах ОТО кравитационный коллапс и чёрные дыры рассматриваются, скорее, как некоторая экзотика. Между тем именно в случае справедливости ОТО можно было бы ожидать появления большого количества чёрных дыр. ... Газ, скапливающийся в центральных областях шаровых скоплений и галактик, также в конце концов должен образовывать чёрные дыры большой массы. В силу этого выше и было отмечено, что в рамках ОТО можно ожидать появления чёрных дыр, не как исключительных объектов, а как часто встречающегося естественного продукта эволюции массивных тел. Фактически, однако, чёрные дыры ещё с уверенностью не обнаружены ни в одном случае, хотя их настойчиво ищут как среди звёзд, так и в ядрах галактик и квазаров, уже лет пятнадцать. Такая ситуация нуждается в комментариях. Несмотря на то, что из ОТО несомненно следует, что чёрные дыры могут существовать, их появление вовсе не обязательно. ... Коротко говоря, образование чёрных дыр может происходить с большим трудом и достаточно медленно, а может практически и вообще не происходить. Итак, если чёрные дыры не будут обнаружены, то это ещё не доказывает несправедливость ОТО в сильном поле, хотя и требует специальных объяснений. ... Против ОТО свидетельствовало бы также поведение компактной звезды с большой массой, противоречащее предсказаниям ОТО (отсутствие «горизонта событий» в условиях, когда, согласно ОТО, он обязательно должен существовать, как это имеет место для невращающейся звезды). Обнаружение чёрных дыр, напротив, явилось бы веским подтверждением ОТО, хотя для количественной проверки (скажем, доказательства справедливости решения Шварцшильда) самого факта существования горизонта событий ещё мало. Какмже обстоит дело с поисками чёрных дыр? Чёрную дыру можно обнаружить либо по её гравитационному воздействию на другую звезду в двойной системе, либо по специфическому свечению, возникающему при аккреции на чёрную дыру газа, падающего из межзвёздной среды или истекающего из звезды–компаньона. Поиски чёрных дыр в двойных системах привели пока что к выявлению лишь одного «кандидата в чёрные дыры»; им является довольно яркая «рентгеновская звезда» — двойная система Cyg X–1 (Лебедь X–1), исследуемая уже несколько лет. ... Тем не менее ясности в вопросе о природе Cyg X–1 ещё нет. ... В отношении галактических ядер и квазаров (или, точнее, кернов этих ядер и квазаров) ситуация ещё более неопределённая. ... В такой ситуации приобретает, естественно, большой интерес анализ теоретических возможностей в отношении построения теорий гравитации, в которых чёрные дыры не могут появляться. Такие теоретические схемы известны (Lightman A.P., Lee D.L.— 1973; Ni W.T.— 1973; Rosen N.— 1974, 1976, 1977, 1978; Stoeger W.R.— 1978; Логунов А.А., Фоломешкин В.Н.— 1977). ... Вместе с тем, повторим это ещё раз, вполне возможно, что чёрные дыры удастся обнаружить и даже в самом близком будущем.» ([2, с. 178–185])

Литература

1. Michell John «On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A. S.» // Philosophical Transactions of Royal Society of London, 1784, v. 74, pp. 35–57 (published 1 January 1784)
2. Гинзбург В.Л. «Об экспериментальной проверке общей теории относительности»,— в кн. Гинзбург В.Л. «О теории относительности. Сб. статей»,— М.: Наука, 1979,— стр. 157–187

Скандалы и сенсации

Профессор физики университета Северной Каролины Лаура Мерсини–Хутон (Laura Mersini-Houghton) доказала, что «чёрные дыры» не могут образовываться в результате коллапсирования массивных звёзд. Её расчёты опубликованы в июне–сентябре 2014 года в паре публикаций на arXiv.org: «Backreaction of Hawking Radiation on a Gravitationally Collapsing Star I: Black Holes?», «Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls».

Ссылки

• Лаура Мерсини–Хутон против образования чёрных дыр, 23 сентября, 2014
• Стивен Хокинг отменил чёрные дыры, 24 января 2014
• Черные дыры продолжают удивлять астрономов, 11 мая 2011