2014-04-29

І знову про чорні діри

5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 голос)

Статичні електронейтральні чорні діри не типові для реального світу. Колапсуючі зірки обертаються і до того ж можуть володіти електричним зарядом.

Теорема про лисину

Величезні діри в галактичних ядрах, цілком ймовірно, утворюються з первинних центрів гравітаційної конденсації - єдиної «післязіркової» діри або ж декількох дірок, що злилися в результаті зіткнень. Такі діри-зародки заковтують розташовані поблизу зірки і міжзоряний газ і у багато разів збільшують свою масу. Падаюча під горизонт речовина знову-таки володіє як електричним зарядом (космічний газ і пилові частинки легко іонізуються), так і обертальним моментом (падіння відбувається по спіралі). У будь-якому фізичному процесі момент інерції і заряд зберігаються, і тому природно припустити, що формування чорних дір не є винятком.

Але справедливим є і ще більш сильне твердження, яке частково було сформульоване в першій частині статті. Якими б не були предки макроскопічної чорної діри, вона отримує від них лише масу, момент обертання і електричний заряд. За словами Джона Уїлера, «чорна діра не має волосся». Правильніше було б сказати, що з горизонту будь-якої дірки звисають не більше трьох «волосинок», що й було доведено об'єднаними зусиллями кількох фізиків-теоретиків у 1970-х. Правда, в дірі зобов'язаний зберігатися і магнітний заряд, гіпотетичні носії якого, магнітні монополі, були передбачені Полем Діраком у 1931 році. Однак ці частинки ще не виявлені, і про четверту «волосинку» говорити зарано. У принципі можуть існувати і додаткові «волосини», пов'язані з квантовими полями, проте в макроскопічних дірах вони зовсім непомітні.

І все-таки вони крутяться

Якщо статичну зірку підзарядити, метрика простору-часу зміниться, але обрій подій, як і раніше залишиться сферичним. Однак зіркові та галактичні чорні діри з ряду причин не можуть нести великий заряд, тому з точки зору астрофізики цей випадок не надто цікавий. А ось обертання діри тягне за собою більш серйозні наслідки. По-перше, змінюється форма горизонту. Відцентрові сили стискають його по осі обертання і розтягують в площині екватора, так що сфера перетворюється в щось подібне на еліпсоїд. По суті, з горизонтом відбувається те ж саме, що і з будь-яким тілом, яке обертається, зокрема, з нашою планетою - адже екваторіальний радіус Землі на 21,5 км довший від полярного. По-друге, обертання зменшує лінійні розміри горизонту. Згадаймо, що горизонт - це межа розділу між подіями, які можуть чи не можуть посилати сигнали до віддалених світів. Якщо тяжіння дірки притягує світлові кванти, то відцентрові сили, навпаки, сприяють їхньому відльоту у відкритий космос. Тому горизонт дірки, що обертається, повинен розташовуватися ближче до її центру, ніж горизонт статичної зірки з такою ж масою.

Але і це не все. Діра у своєму обертанні захоплює за собою навколишній простір. У безпосередній близькості від дірки захоплення повне, на периферії воно поступово слабшає. Тому горизонт дірки занурений в особливу область простору - ергосферу. Кордон ергосфери торкається до горизонту біля полюсів і найдалі відходить від нього в площині екватора. На цій поверхні швидкість захоплення простору дорівнює світловій; всередині неї вона більша за швидкість світла, а зовні - менша. Тому будь-яке матеріальне тіло, чи то газова молекула, частка космічного пилу або зонд-розвідник, при попаданні в ергосферу неодмінно починають обертатися навколо дірки, причому в тому ж напрямку, що й вона сама.

Зоряні генератори

Наявність ергосфери в принципі дозволяє використовувати дірку в якості джерела енергії. Нехай якийсь об'єкт проникає в ергосферу і розпадається там на два осколки. Може виявитися, що один з них провалиться під горизонт, а інший покине ергосферу, причому його кінетична енергія перевищить початкову енергію цілого тіла! Ергосфера володіє також здатністю посилювати електромагнітне випромінювання, яке падає на неї і знову розсіюється в простір (це явище називається нвдрадіацією).

Втім, закон збереження енергії непохитний - вічних двигунів не існує. Коли дірка підживлює енергією частинки чи випромінювання, її власна енергія обертання зменшується. Космічний супермаховик поступово зменшує оберти і врешті-решт може навіть зупинитися. Підраховано, що таким чином можна перевести в енергію до 29% маси діри. Ефективнішим за цей процес є лише анігіляція речовини і антиречовини, оскільки в цьому випадку маса повністю перетворюється у випромінювання. А ось сонячне термоядерне паливо вигоряє з набагато меншим ККД - близько 0,6%.

Отже, чорна діра, що швидко обертається, чи не ідеальний генератор енергії для космічних суперцивілізацій (якщо, звичайно, такі є). У всякому разі, природа використовує цей ресурс з незапам'ятних часів. Квазари, найпотужніші космічні «радіостанції» (джерела електромагнітних хвиль), харчуються енергією велетенських обертових дір, розташованих в ядрах галактик. Цю гіпотезу висунули Едвін Салпетер і Яків Зельдович ще в 1964 році, і з тих пір вона стала загальноприйнятою. Речовина, що наближається до діри, утворює кільцеподібну структуру, так званий аккреційний диск. Так як простір поблизу дірки сильно закручений її обертанням, внутрішня зона диску утримується в екваторіальній площині і повільно осідає до горизонту подій. Газ в цій зоні сильно нагрівається внутрішнім тертям і генерує інфрачервоне, світлове, ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання, а часом навіть і гамма-кванти. Квазари випускають також нетеплове радіовипромінювання, яке в основному зумовлене синхротронним ефектом.

Дуже поверхнева ентропія

Теорема про лисі діри приховує підступний підводний камінь. Колапсуюча зірка представляє собою згусток надгарячого газу, стисненого силами тяжіння. Чим вища густина і температура зоряної плазми, тим менше в ній порядку і більше хаосу. Ступінь хаотичності виражається конкретною фізичною величиною - ентропією. З плином часу ентропія будь-якого ізольованого об'єкта зростає - така суть другого начала термодинаміки. Ентропія зірки перед початком колапсу безмежно велика, а ентропія діри начебто вкрай мала, оскільки для однозначного опису діри потрібні всього три параметри. Невже в ході гравітаційного колапсу порушується другий закон термодинаміки?

Чи можна допустити, що при перетворенні зірки в наднову її ентропія зникає разом зі скинутою оболонкою? На жаль, ні. По-перше, маса оболонки не йде в порівняння з масою зірки, тому втрата ентропії буде невелика. По-друге, нескладно придумати ще більш переконливе уявне «спростування» другого закону термодинаміки. Нехай в зону тяжіння вже готової діри потрапило тіло ненульової температури, що володіє якоюсь ентропією. Провалившись під горизонт подій, воно зникне разом зі своїми запасами ентропії, а ентропія діри, очевидно, аніскільки не збільшиться. З'являється спокуса стверджувати, що ентропія прибульця не зникає, а передається дірі, але це лише балаканина. Закони фізики виконуються у світі, доступному для нас і наших приладів, а область під горизонтом подій для будь-якого зовнішнього спостерігача - terra incognita.

Цей парадокс вирішив аспірант Уілер Джейкоб Бекенстейн. У термодинаміки є дуже потужний інтелектуальний ресурс - теоретичне дослідження ідеальних теплових машин. Бекенстейн придумав уявний пристрій, який трансформує тепло в корисну роботу, використовуючи чорну діру в якості нагрівача. За допомогою цієї моделі він обчислив ентропію чорної діри, яка виявилася пропорційна площі горизонту подій. Ця площа пропорційна квадрату радіуса діри, який, нагадаємо, пропорційний її масі. При захопленні будь-якого зовнішнього об'єкта маса дірки зростає, радіус подовжується, збільшується площа горизонту і, відповідно, зростає ентропія. Розрахунки показали, що ентропія діри, яка проковтнула чужорідний об'єкт, перевищує сумарну ентропію цього предмета і діри до їхньої зустрічі. Аналогічно ентропія колапсуючої зірки набагато порядків менша за ентропію діри-спадкоємиці. З міркувань Бекенстейна виходить, що поверхня діри має ненульову температуру і тому просто зобов'язана випромінювати теплові фотони (а при достатньому нагріванні і інші частинки). Проте так далеко Бекенстейн піти не наважився (цей крок зробив Стівен Хокінг).

До чого ж ми прийшли? Роздуми про чорні діри не тільки залишають друге начало термодинаміки непорушним, але й дозволяють збагатити поняття ентропії. Ентропія звичайного фізичного тіла більш-менш пропорційна його об'єму, а ентропія діри - поверхні горизонту. Можна суворо довести, що вона більша від ентропії будь-якого матеріального об'єкта з такими ж лінійними розмірами. Це означає, що максимальна ентропія замкнутої ділянки простору визначається виключно площею його зовнішнього кордону! Як бачимо, теоретичний аналіз властивостей чорних дір дозволяє зробити дуже глибокі висновки загальнофізичного характеру.

Дивлячись у глибини Всесвіту

Як здійснюється пошук чорних дір у глибинах космосу? Відкриття чорних дір слід вважати одним з найбільших досягнень сучасної астрономії і астрофізики. В останні десятиліття в космосі були ідентифіковані тисячі джерел рентгенівського випромінювання, кожне з яких складається з нормальної зірки і об'єкту дуже малого розміру, який не світиться і оточений акреційним диском. Темні тіла, маси яких становлять від півтора до трьох сонячних мас, напевно є нейтронними зірками. Однак серед цих невидимих об'єктів є як мінімум два десятки практично стовідсоткових кандидатів на роль чорної діри. Крім цього вчені прийшли до єдиної думки, що в галактичних ядрах ховаються принаймні дві велетенських чорних діри. Одна з них знаходиться в центрі нашої Галактики; згідно з торішньою публікацією астрономів із США та Німеччини, її маса становить 3,7 мільйона мас Сонця (Ms). Кілька років тому Джеймс Моран і Лінкольн Грінхілл з Гарвардсько-Смітсонівського астрофізичного центру внесли основний внесок у зважування діри в центрі галактики NGC 4258, яка потягнула на 35 мільйонів Ms. Цілком імовірно, що в ядрах багатьох галактик є діри, які володіють масою від мільйона до кількох мільярдів Ms.

Поки що немає можливості з Землі зафіксувати дійсно унікальний підпис чорної діри - наявність горизонту подій. Однак вчені вже вміють переконуватися у його відсутності. Радіус нейтронної зірки становить 10 км; такий же за порядком величини і радіус дір, які народилися в результаті зоряного колапсу. Однак нейтронна зірка має тверду поверхню, а діра такої не має. Падіння речовини на поверхню нейтронної зірки тягне за собою термоядерні вибухи, які породжують періодичні рентгенівські спалахи секундної тривалості. А коли газ досягає горизонту чорної діри, він іде під нього і не проявляє себе ніяким випромінюванням. Тому відсутність коротких рентгенівських спалахів - потужне підтвердження діркової сутності об'єкту. Всі два десятки подвійних систем, які ймовірно містять чорні діри, таких спалахів не випускають.

Не можна не визнати, що зараз вчені змушені задовольнятися негативними доказами існування чорних дір. Об'єкти, які вони оголошують дірами, не можуть бути нічим іншим з точки зору загальноприйнятих теоретичних моделей. Висловлюючись інакше, дослідники їх вважають дірами виключно тому, що не можуть розумно вважати нічим іншим.

Астрономи вже досить давно вірили в реальність існування чорних дір. Історично першим надійним кандидатом на цю посаду став темний супутник дуже яскравого блакитного надгіганта HDE 226868, віддаленого від нас на 6500 світлових років. Він був виявлений на початку 1970-х років у рентгенівській подвійній системі Лебідь Х-1. За останніми даними, його маса становить близько 20 Ms. Варто відзначити, що 20 вересня 2005 року були опубліковані дані, які практично повністю розвіяли сумніви в реальності ще однієї діри галактичних масштабів, про існування якої астрономи вперше стали підозрювати 17 років тому. Вона знаходиться в центрі галактики М31, більш відомої як туманність Андромеди. Галактика М31 - дуже стара, їй приблизно 12 млрд. років. Діра теж немаленька - 140 млн. сонячних мас. До осені 2005 року астрономи і астрофізики остаточно впевнилися в існуванні трьох надмасивних чорних дір та ще пари десятків їхніх більш скромних товаришок.

Вердикт теоретиків

Якщо говорити про макроскопічні чорні діри, які добре описуються рівняннями ОТО, то в області їх теорії основні результати були отримані ще в 60-80-ті роки XX століття. Що стосується недавніх робіт, то найбільш цікаві з них дозволили краще зрозуміти процеси, які відбуваються всередині чорної діри в міру її старіння. В останні роки чимала увага приділяється моделям чорних дір у багатовимірних просторах, які звичайно з'являються в теорії струн. Але ці дослідження відносяться не до класичних, а до квантових дір, поки ще не виявлених. Головний же підсумок останніх років - дуже переконливі астрофізичні підтвердження реальності існування дір з масою в кілька сонячних мас, а також надмасивних дір в центрах галактик. Сьогодні вже не доводиться сумніватися, що ці діри справді існують і що ми добре розуміємо процеси їхнього формування.

За матеріалами popmech.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus