“Чёрные дыры”

Выполнил:
Билибин Алексей,11А
Руководитель:
Шляпина Людмила Юрьевна,
учитель физики
г.Омск 2002 г.

План.

1. 1. Введение
2. Термин "чёрная дыра"
3. Свойства чёрных дыр
4. Как образуются чёрные дыры
5. Методы наблюдения чёрных дыр
6. Гравитационно-волновое небо
7. Кандидаты в чёрные дыры
8. Заключение.

Введение.

Данный доклад содержит ознакомительный материал о чёрных дырах, космических объектах, существование которых полностью не доказано, хотя предсказано общей теорией относительности Эйнштейна. Чёрные дыры - малоизученный объект. Это одна из тайн мироздания. Возможно это вход в другую вселенную… Эти и многие другие вопросы мне хотелось рассмотреть в этой работе. Надеюсь этот загадочный объект заинтересует моих сверстников. И кто-нибудь из них решит посвятить свою жизнь раскрытию тайн Вселенной.

Термин.

В 1783 г. английский физик Джон Митчел, а спустя 13 лет французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас установили, что если свет рассматривать как поток частиц (сейчас их называют фотонами), то при определённых условиях он не покинет излучающее тело.

Термин “чёрная дыра” был весьма удачно введён в науку Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Свойства.

Сфера Шварцшильда.

Как известно, для любого массивного сферического тела можно указать скорость убегания, или так называемую вторую космическую скорость, с которой частица навсегда покинет это тело. Скорость убегания вычисляется по формуле

u_О =

где М - масса тела, R – радиус тела, G – гравитационная постоянная.

Каковы размеры тела массой М, скорость убегания для которого равна скорости света? Если бы u_О = с, то

R=

Таким образом, тело, с поверхности которого не может вылететь частица света, должно быть сжато в сферу радиусом R < 2*G*M/c². (Эту величину позже назвали гравитационным радиусом и обозначили r_g.)

Легко рассчитать, что для тела с массой Солнца (» 2*10³³ г) гравитационный радиус r_g должен равняться 3 км. Если Солнце вдруг сожмётся до этого радиуса, оно станет невидимым: ни один фотон не вылетит за его пределы. Плотность вещества Солнца достигнет 10 ¹⁶ г/см³. Какая сила способно сжать Солнце до таких размеров? Казалось невероятным, что подобные объекты существуют в природе. И учёные не обратили тогда должного внимания на работы Митчела и Лапласа.

Ответ на этот вопрос может дать современная теория тяготения. Уже в 1916 г. немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873-1916) описывая движение планеты в гравитационном поле массивного сферического тела в зависимости от расстояния r между ними, использовал уравнения Эйнштейна и получил решение, терявшее физический смысл (обращавшееся в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

Точки, в которых физические или геометрические характеристики поля обращаются в бесконечность, называют сингулярными (особыми). Сингулярность (особенность) при r = 0, называемая центральной сингулярностью, связана с рассмотрением точечных источников поля. Такую сингулярность нельзя устранить никакими преобразованиями системы отсчёта. Точки же, удовлетворяющие условию r = r_g, образуют целую сферу, называемую сингулярной сферой Шварцшильда.

Для внешнего (покоящегося) наблюдателя область внутри сингулярной сферы как бы не существует. Он даже не может увидеть, чтобы хоть одна частица, падающая извне на эту сферу, её достигла: когда скорость частицы станет близка к скорости света, её собственное время для стороннего наблюдателя, остановится и частица будет выглядеть неподвижной. такие недостижимые, с точки зрения внешнего наблюдателя, сферы называют горизонтами событий.

В действительности тело способно пройти сквозь горизонт - проникнуть внутрь сингулярной сферы и даже достигнуть за конечное время центра r = 0. По пути оно испытывает деформации, связанные с сильнейшим искривлением пространства-времени. Пройдя внутрь сферы Шварцшильда, тело останется для внешнего наблюдателя навеки невидимым: ни один световой сигнал не вырвется наружу из-под неё. Область внутри сферы Шварцшильда - невидимая (чёрная) дыра.

То же относится к любым частицам, покидающим сквозь сферу Шварцшильда. Они тем более не могут вернуться обратно, обладая скоростью, меньшей скорости света. Неизбежное падение всех частиц, попавших под сферу Шварцшильда, на центральную сингулярность называется гравитационным коллапсом (от лат. collapsus - “упавший”).

С точки зрения удалённого наблюдателя гравитационный коллапс приводит к появлению как бы навсегда застывшего тела, от которого в окружающее не исходит никаких сигналов. Оно застыло не потому, что находится в равновесии (ибо равновесия нет). Просто для внешнего наблюдателя остановилось время, подобно тому как на остановившемся кадре виден застывший момент падения тела. Из внешней системы отсчёта нельзя наблюдать процесс сжатия звезды под сферу Шварцшильда. То, что для коллапсирующей звезды завершится в конечное время, для внешнего наблюдателя не произойдёт никогда. Никаких логических противоречий здесь нет: это относительность хода времени в крайнем выражении. Сам же объект, сколлапсировавший, т.е. ушедший внутрь сферы Шварцшильда, называется коллапсором или чёрной дырой.

Горизонт событий.

Общая теория относительности А.Эйнштейна предсказывает удивительные свойства ЧД, из которых важнейшее - наличие у ЧД горизонта событий. Для невращающейся ЧД радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к ЧД, с точки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечёт горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Всё, что происходит под горизонтом событий, внутри ЧД, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своём корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную и даже своё будущее.. Связано это с тем, что внутри ЧД пространственная и временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени. Ещё более необычны свойства вращающихся ЧД. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружён он внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся ЧД.

Столь необычные свойства ЧД многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование ЧД в природе часто ставится под сомнение. Однако, забегая вперед, отметим, что, согласно новейшим наблюдательным данным, ЧД действительно существуют и им присущи удивительные свойства.

Эффект Хокинга.

которое увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие). Аналогично рождает пары (в том числе и пары фотонов) и сильное поле тяготения ЧД, действующее на частицы любого сорта. Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти на бесконечность, другая появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь ЧД. В итоге ЧД становится источником непрерывного потока частиц, уходящего на бесконечность. Подчеркнём, что при формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по-прежнему обладает свойствами клапана.

В 1974-1975 годах английский теоретик

С.Хокинг проводил вычисления характеристик излучения ЧД, руководствуясь нарисованной выше физической картиной. К своему удивлению он обнаружил, что свойства такого излучения в точности такие же, как у излучения горячего черного тела радиуса R _g, нагретого до температуры

kT@ 0,5 * 10^-7 (M₀/M) K, (2)

где k=1,4*10^-16эрг/К - постоянная Больцмана. Примечательно, что в описанном явлении, которое называют эффектом Хокинга, температура обратно пропорциональна массе. В процессе излучения масса ЧД уменьшается, а её температура быстро растёт и за конечное время

t~10⁷² (M_O/M)³ секунд (3)

ЧД прекращает существование, исчерпав свою массу.

Существенно, что последние мгновения перед исчезновением ЧД будут протекать в режиме мощного взрыва с выделением энергии порядка 10³⁰ эрг за время порядка 0,1 с. Такие взрывы можно наблюдать и на большом удалении от Земли. Впрочем, это не относится к звездным и тем более массивным и сверхмассивным ЧД: уже при М=М_О температура составляет ничтожные доли градуса, а время жизни ЧД намного больше времени существования Вселенной (см. (2), (3)). Поэтому взрываться в нашу эпоху способны лишь первичные ЧД с массой порядка 10¹² г (масса средней горы). К сожалению, такие взрывы до сих пор не наблюдались.

Как образуются ЧД.

Известно, что если масса ядра звезды, претерпевшего изменения химического состава из-за термоядерных реакций и состоящего в основном из элементов группы железа, превышает 1,4 солнечной массы М₀, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в результате которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронного вещества. Огромные силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны обладают полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться только один нейтрон.

При сжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается до гигантских значений - порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантомеханическому принципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше 3М_О скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3М_О) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда остывая коллапсирует, согласно существующим представлениям, в ЧД. Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 10 ⁶ до 10 км, из условия сохранения магнитного потока Н_ОR_O ²=H_NR_N ² (где H_O=100 Гс, R _O=10⁶км - напряжённость магнитного поля и радиус ядра звезды до сжатия, H N, R_N- те же характеристики нейтронной звезды) следует, что магнитное поле нейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины - порядка 10 12 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Хорошо известные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звёзды, причём число известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучение посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят за счёт аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: сильное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреационными колонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, то экранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феномену рентгеновского пульсара - строго периодической переменности рентгеновского излучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсации радио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды есть сильное магнитное поле (~10¹² Гс), твёрдая поверхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У ЧД строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, ЧД не имеет ни твёрдой поверхности, ни сильного магнитного поля.

Для звёзд, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают три солнечных, ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием ЧД. Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давление вещества при больших плотностях как бы само “весит” : чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях, согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривления пространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды.

ЧД с очень большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому, существуют в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных ЧД наметился существенный прогресс в связи с использованием космического телескопа им. Хаббла и применения методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Кроме того, теория предсказывает возможность существования первичных ЧД, образовавшихся в момент образования Вселенной.

Способно ли массивное тело, например звезда, неограниченно сжимаясь, полностью уйти под свою сингулярную сферу и таким образом превратится в ЧД? Возможно ли то, что считали нереальным физики времён Лапласа?

Это случается с массивными звёздами, исчерпавшими термоядерное горючее. Сила внутреннего давления излучения больше не уравновешивает силы гравитационного сжатия, и звезда начинает коллапсировать. Будет ли коллапс неограниченным?

Звёзды, имеющие к концу жизни массу меньше двух-трёх масс Солнца, обычно сжимаются, превращаясь в сверхплотные объекты - белые карлики и нейтронные звёзды. Однако у многих звёзд масса значительно превышает три массы Солнца, и ничто не может предотвратить их коллапс в будущем. Современная физика не умеет описывать состояние вещества в сингулярности: вещество там сжато до бесконечной плотности бесконечно сильным гравитационным полем, кривизна пространства-времени бесконечна и привычные законы природы теряют смысл.

Между тем процесс образования ЧД отнюдь не требует бесконечной плотности вещества и подчиняется известным законам природы. Например, звезда массой в десять масс Солнца в момент, когда в процессе коллапса её радиус окажется равным радиусу сферы Шварцшильда, будет иметь плотность 1014 г/см³. Средняя плотность вещества нейтронных звёзд около 10¹⁵ г/см³. Поскольку нет сомнений в существовании нейтронных звёзд, то, очевидно, вещество может быть сжато до таких значений плотности, при которых реально возникновение ЧД, и даже ещё больших.

В астрофизике предел звёздной массы не определён, тогда как радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. Например, ЧД, образовавшаяся вследствие коллапса звезды массой 108 солнечных масс, имела бы радиус около 300 млн км, т.е. вдвое больше радиуса земной орбиты. А средняя плотность вещества при этом была бы приблизительно равна плотности воды. Итак, для формирования ЧД не требуется сверхплотного состояния вещества. Вот почему Лаплас был прав, когда писал, что, возможно, “самые большие светящиеся тела во Вселенной будут для нас невидимыми”.

Методы наблюдения ЧД.

Наблюдения показывают, что очень многие звёзды являются двойными, а часть из них входит и в более обширные звёздные группы. Узнать о том, что две звезды составляют пару, можно, изучив их совместное движение. Но бывает и так, что наблюдать удаётся излучение одного компонента звёздной пары. Конечно, при этом нельзя исключить, что второй компонент является либо маломассивной тусклой звездой, либо белым карликом. Однако в некоторых парах масса невидимого компонента слишком велика для подобных объектов. В таком случае можно предположить, что он представляет собой нейтронную звезду или ЧД. Но и тогда останется большая доля неопределённости.

Более уверенные выводы можно сделать, изучая свойства тесных двойных систем, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти соприкасаются, а иногда и действительно соприкасаются. Что если одной из звёзд-соседок будет компактная массивная “мёртвая” звезда? Её гравитационное поле может оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнёт отделяться от внешних слоёв видимой звезды и падать на невидимый спутник. Но сам этот газ будет доступен наблюдениям. Более того, вблизи нейтронной звезды или ЧД газ сильно разогреется и станет источником высокоэнергитичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических телескопов. После запуска внеатмосферных приёмников рентгеновского и гамма-излучения подобные источники были открыты в тесных двойных системах.

В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, следовательно, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронной звезды. Предполагается, что в этом случае гравитационное поле создаёт ЧД.

Отличить ЧД от нейтронной звезды (если излучение последней не наблюдается) очень трудно. Поэтому о существовании ЧД часто говорят предположительно. Тем не менее открытие массивных несветящихся тел (с массами в несколько масс Солнца) - серьёзный аргумент в пользу их существования.

Самый интересный пример тесной двойной системы - обыкновенная звезда и ЧД. Представьте себе: массивная звезда отсветила своё и в конце жизни сколлапсировала; но превратилась не в белый карлик размером с Землю, не в нейтронную звезду радиусом 10 км, а сжалась, уплотнилась до размера всего в несколько километров. Спрессовалось не только вещество звезды, напряглась и сила её притяжения. Тяготение её столь велико, что даже самые быстрые частицы Вселенной - фотоны - не в силах покинуть ЧД. Поэтому дыра не светит и ничего не излучает. Её будто и нет, она полностью замаскировалась.

Но за пределами ЧД простирается мощное поле её тяготения. И если ЧД образовалась в паре с другой звездой, то последняя будет выдавать присутствии дыры своим движением, обращаясь словно бы вокруг пустого места. Когда с возрастом вторая звезда распухнет и начнёт истекать газом, дыра потянет газ на себя и вокруг неё вспыхнет рентгеновский источник.

Падая в дыру по спирали со скоростью, близкой к скорости света, газ образует вокруг неё крутящийся диск, разогретый трением настолько, что он излучает рентгеновские лучи. Следовательно, светит не сама ЧД, а газ на подходе к ней. Ненасытность дыры так велика, а вход в ЧД столь мал, что только часть вещества диска протискивается в дыру, а его излишки выбрасываются из “околодырного” пространства в виде двух потоков, направленных в противоположные стороны вдоль оси диска. Струи разлетаются от дыры на десятки световых лет!

На достаточно больших расстояниях ЧД проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у ЧД быть не может. Удивительно, но самые “экзотические” с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты - ЧД - устроены гораздо проще, чем обычные звёзды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества - они описываются только уравнениями Эйнштейна. Кроме массы ЧД может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом. Но если ЧД не светят, то как же можно судить о реальности этих объектов во Вселенной? Единственный путь - наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.

Имеются косвенные доказательства существования ЧД более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твёрдой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трёх масс Солнца).

Гравитационно-волновое небо.

Последние достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Всё это даёт надежду, что в начале XXI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике ЧД звёздной массы. А возможно, обнаружение ЧД будет связано с совершенно новым направлением звёздной науки - гравитационно-волновой астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем, содержащих ЧД. Скорее всего первые обнаруженные таким методом объекты окажутся двойными ЧД, сливающимися друг с другом из-за потерь энергии орбитального движения на гравитационное излучение. Расскажем об этом по-подробнее.

Фундаментальная наука сейчас находится на пороге открытия новой экспериментальной области - гравитационно-волновой астрономии.

Уже в 1998 году вступила в действие первая очередь гравитационно-волновых лазерных интерферометров в США ( проект LIGO - Laser Interferometer), Европе ( проект VIRGO и GEO) и Японии(ТАМА) с чувствительностью к относительным сжатиям и растяжениям порядка h min =10 ^-21 и откроется канал информации о Вселенной.

Идея эксперимента крайне проста. Гравитационная волна при прохождении через интерферометр меняет длину его плеч на относительную величину, равную ее амплитуде h :

d L/L = h.

При изменение длины плеча будет меняться оптический путь лазерного луча и как следствие будут меняться условия интерференции и интенсивность света на приемнике. Например, для американского интерферометра L=4 км , и , следовательно , он будет способен зарегистрировать смещения зеркал интерферометра на величину L=4*10 -16 cм , что в сотни раз меньше размера ядра атома! Очевидно, чтобы достигнуть такой беспрецедентной точности, нужно решить массу грандиозных технических проблем. Этот крайне дорогостоящий проект (например, американский интерферометр потребовал затрат более миллиарда долларов) осуществляется в надежде обнаружить гравитационные волны из космоса, и надежду эту подкрепляют эволюционные расчеты астрофизиков.

Как показал еще А.Эйнштейн, источником гравитационных волн может быть любое тело, изменяющее свой квадрупольный момент инерции (тело должно быть круглым!). Более подходящего источника, чем двойные звёзды, и придумать трудно. Амплитуда гравитационных волн у источника пропорциональна его гравитационному потенциалу (фактически равна потенциалу, выраженному в единицах квадрата скорости света) и падает обратно пропорционально расстоянию. Радиус нейтронных звёзд и ЧД фактически порядка гравитационного, и, следовательно,

hµ R_g/R

это и есть их радиус. Частота гравитационной волны равна удвоенной орбитальной частоте.

Первые реальные детекторы смогут регистрировать только высокочастотные гравитационные волны с частотой от 100 до 1000 Гц, а в этом диапазоне можно будет видеть отдельные события, соответствующие последним фазам слияния двойных релятивистских звёзд, продолжающимися считанные минуты. При этом дальность обнаружения в единицах расстояния между компонентами двойной попросту равна обратной чувствительности, помноженной на гравитационный радиус сливающихся звёзд:

R_max = h_min^-1*R_g = 3*10²⁶см.

Таким образом, уже первая очередь детектора будет способна обнаружить сливающиеся релятивистские звёзды солнечной массы на расстоянии 100 мегапарсек (примерно 300 млн световых лет). Вопрос только в том, какова частота таких событий в указанном объёме.

Ясно, что такие процессы заведомо идут, так как мы видим сейчас двойные нейтронные звёзды (радиопульсары), сближающиеся с характерным временем, гораздо меньшим возраста Вселенной. Сейчас их наблюдается около 10, а их общее число в Галактике оценивается в 10000.Разделив характерное время радиопульсаров (10¹⁰ лет) на общее их число (10000),получаем, что в среднем одно слияние в галактике типа нашей происходит раз в миллион лет. Так как в объеме, ограниченном сотней мегапарсек, примерно миллион галактик, то следует несколько успешных актов детектирования в год. Именно этой оценкой руководствовались ученые, когда начинали строительство гравитационно-волнового интерферометра.

За последние 10 лет, улучшая с каждым разом точность, с учетом нового понимания эволюции двойных мы неоднократно пытались

оценить чистоту слияния нейтронных звезд в галактике типа нашей

и все время приходили к выводу ,что реальная чистота слияний гораздо выше - одно событие в 5000-10000 лет , то есть в сто раз чаще.

Сейчас сходные оценки получены тремя независимыми группами.

Это означает что первая очередь гравитационно-волновых интерферометров будет регистрировать всплески гравитационных волн каждые несколько дней ,а это уже непросто обнаружение, а большая наука (например, открытие W-бозона состоялось благодаря удачной регистрации всего лишь нескольких событий в год). Такая гигантская разница между наблюдательной оценкой и теоретическими расчетами возникает по одной простой причине. Дело в том , что в ходе эволюции за долго до слияния многие нейтронные звезды попросту перестают излучать радиоимпульсы, становясь ненаблюдаемыми, и истинное число двойных нейтронных звезд в сто раз превосходит количество двойных пульсаров.

Опираясь на лучшие астрономические данные о галактиках, специально был проведен популяционный синтез ближайших 50 Мпк Вселенной и смоделирована ожидаемая карта звёздного неба в гравитационных волнах с указанием областей, откуда в первую очередь нужно ждать всплески гравитационных волн. Прямое открытие гравитационных волн, обладающих абсолютной проникаемостью, станем не только важнейшим событием всей фундаментальной физики, но уже в первые годы прольёт свет на многие нерешённые проблемы теории эволюции звёзд. Вполне вероятно, что здесь гравиастрономы могут определить радиоастрономов в открытии ЧД. Как показывают последние расчёты для широкого спектра эволюционных сценариев, всплески гравитационных волн от слияния двойных ЧД могут приходить на порядок чаще, чем от нейтронных звёзд.

Кандидаты в ЧД.

К недавнему времени были измерены массы шести рентгеновских и пяти радиопульсаров в двойных системах. Оказалось, что во всех случаях, когда удаётся надёжно определить массу рентгеновского или радиопульсара (то есть нейтронной звезды), она не превосходит трёх солнечных масс - теоретический верхний предел для массы нейтронной звезды, предсказываемый ОТО. Среднее значение массы нейтронной звезды, полученное для одиннадцати объектов, составляет около 1,4 солнечной массы и прекрасно согласуется с современной теорией поздних стадий эволюции массивных звёзд. Перейдём теперь к наиболее интригующему вопросу о том, как обстоят дела с массивными рентгеновскими источниками. Приведём примеры двойных рентгеновских систем с массивными рентгеновскими источниками (табл.1). Надёжность определения масс m_X ЧД в этих системах не вызывает сомнения, поскольку модель двойной системы в данном случае уверенно обоснованно тем фактом, что в моменты минимумов блеска лучевая скорость оптической звезды совпадает с лучевой скоростью центра масс системы. Следовательно, изменения со временем лучевой скорости оптической звезды связаны с её орбитальным движением, а не с пульсацией звезды или движением газовых потоков в системе. Применение мощных методов определения масс, развитых для тесных двойных систем, позволяет дать надёжные оценки масс ЧД.

Таблица 1

№ п/п	Рентгеновский истоник	fV(m)	Масса Релятивистского объекта mX	Масса Оптической звезды mV
1	Cyg X-1	0,23	7-18	20-30
2	LMC X-3	2,3	7-11	3-6
3	LMC X-1	0,14	4-10	18-25
4	A0620-00	3,1	5-17	~0,7
5	V404 Cyg	6,3	10-15	0,5-1
6	XN Mus 1991	3,01	9-16	0,7-0,8
7	QZ Vul	5,0	5,3-8,2	~0,7
8	XN Per 1992	0,9	2,5-5,0	~0,4
9	XN Sco 1994	3,2	4-6	~2,3
10	XN Oph 1977	4,0	5-7	~0,8

Строгие скептики придумали для рентгеновских двойных систем с большой функцией масс модель тройной системы. В этой модели рентгеновский источник - это аккрецирующая нейтронная звезда, а большая функция масс связана с движением оптической звезды вокруг третьей массивной звезды. Специальные тщательные спектроскопические исследования не выявили признаков тройственности ни у одной из десяти описанных выше рентгеновских двойных систем. Кроме того, в системах, где масса оптической звезды мала (менее одной-двух солнечных масс), модель тройной системы неприемлема уже потому, что третья звезда должна иметь массу в несколько солнечных и на её ярком фоне невозможно было бы наблюдать линии поглощения слабой маломассивной звезды. Таким образом, к настоящему времени проблема ЧД встала на прочный

Уникальный объект SS 433.

Этот объект из созвездия Орла занесён во многие звёздные каталоги. В “Общем каталоге переменных звёзд”, составленном российскими астрономами, он значится как V 1343 Орла; в каталоге рентгеновских источников, обнаруженных американским спутником “Ухуру” ( “Ухуру” зарегистрировал много рентгеновских источников различной природы. Один из них - Лебедь Х-1 - оказался связанным с объектом, который имеет слишком большую массу, чтобы быть нейтронной звездой. Это позволило считать его первым кандидатом в ЧД),- 1908+05; но наиболее известен он под названием SS 433 - таков его номер в каталоге звёзд с яркими эмиссионными линиями американских астрономов К. Стефенсона и Н. Сандьюлика (SS - первые буквы их фамилий).

До 1978 г. этот объект не привлекал к себе внимания. Обычная слабая переменная звёздочка 14-й величены, очевидно затмения сенсационного характера последовали в 1979-1980 гг. И продолжаются до сих пор.

Американские и итальянские астрономы, наблюдая SS 433 из ночи в ночь, зарегистрировали в её спектре три системы эмиссионных линий водорода и гелия. Кроме основных ярких и неподвижных линий они включали две системы линий-спутников, “гулявших” по спектру с периодом 163 дня. Эти смещения говорили о движении вещества в двух противоположных направлениях со скоростью, достигающей четверти скорости света - 78 000 км/с.

Детальные наблюдения показали, что SS 433 - тесная затменная двойная система, период обращения которой равен 13,1 суток. Одним из её компонентов является массивная звезда с температурой около 30 тыс. Кельвинов и светимостью, примерно в миллион раз превышающей светимость Солнца.

Главная звезда столь велика, что не может сохранить свою целостность в поле тяготения очень компактной второй звезды: её вещество непрерывно перетекает на соседку. О том, что это компактная звезда, говорит отсутствие у неё спектральных линий. Зато вокруг неё формируется аккреционный диск из перетекающего вещества.

Открытие рентгеновского излучения SS 433 окончательно подтвердило предположение о наличии компактного тела - нейтронной звезды или ЧД,- ведь только при аккреции на них испускается рентгеновское излучение. Компактный источник окружён непрозрачным и очень ярким облаком плазмы с температурой в сотни тысяч градусов. Рентгеновские спектры, полученные приборами искусственных спутников Земли “Экзосат” (Европейское космическое агенство) и “Гинга” (Япония), выявили мощнейшую ионизацию атомов железа - до гелие- и водородоподобных состояний. Это значит, что в атоме вместо 26 электронов остаются всего 2 или 1. Остальные выбиваются со своих орбит ударами релятивистских (сверхбыстрых, имеющих скорости, сравнимые со скоростью света) электронов или рентгеновскими квантами.

По имеющимся данным можно составить “портрет” SS 433. Система включает гигантскую звезду высокой температуры и светимости и её спутник - компактную звезду. С оптической звезды на компактную постоянно перетекает вещество, формирующее аккреционный диск. Он-то и затмевает раз в 13 суток главную звезду. В перпендикулярном направлении к диску идут две мощных струи (джета), ось которых движется по конусу прецессии с периодом 163 суток. Вся система погружена в облако плазмы, своеобразную корону. В струях освобождаются электроны коллосальной энергии, которые ионизуют атомы железа, выбивая из них 24-25 электронов.

SS 433 - уникальное явление в нашей Галактике; других подобных объектов астрономам найти не удалось. Сейчас ведутся их поиски в соседних галактиках.

 

Заключение.

Существование ЧД, предсказанных в их современном понимании ОТО, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то уже роль ЧД как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что ещё не открытые первичные ЧД, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.

Однако уже сейчас можно говорить и о совсем иной, общефизической роли ЧД, обогативших наши общие представления о неорганическом мире. Появление ЧД как продукта теоретической мысли подняло на новый уровень понимание теплоты. С XVII-XIX веков - времени победы кинетической теории над теорией теплорода - наука знала единственный механизм появления тепла - хаотизацию движения частиц, обладающих запасом кинетической энергии. Такой механизм проявляется и при трении двух кусков дерева, с помощью чего наши предки добывали огонь, и при химических и ядерных реакциях. С наиболее общей, информационной точки зрения появление тепла во всех таких случаях отвечает утрате микроскопической информации о состоянии частиц горячего тела.

Физика ЧД указала новый механизм возникновения тепла, когда информация о внутреннем состоянии ЧД отсекается от наблюдателя мощными силами тяготения (а сам этот объект может быть уподоблен “чёрному ящику”, как в кибернетике называют устройство с неизвестной внутренней структурой). Этот новый механизм действует по схеме:

чёрная дыра®чёрный ящик® чёрное тело

и также имеет дело с хаосом, которому отвечает равновероятность с точки зрения внешнего наблюдателя различных микросостояний внутренней части ЧД, совместимых с заданными значениями массы, момента и заряда.

Литература:

Соросовский образовательный журнал :

№3 1997 г. статья “Чёрные дыры в двойных звёздныхсистемах”.

№6 1997 г. статья “Горячие “чёрные дыры”. Новое в понимании природы теплоты”.

№6 1998 г. статья “Искусственная вселенная”.

Энциклопедия для детей Аванта+ :

Астрономия,

Физика.

М. Кьюиш “юный исследователь”.

Ф. Ю. Зигель “Астрономия в её развитии”.

С. Данлоп “Азбука звёздного неба”.

К. Юоллард “Как и почему?”.

Т. И. Гонтарук “Я познаю мир. Серия космос”.

---