Черные дыры

В прошлом сюжете было сказано, что если начальная масса звезды составляет от 9 до 20 масс Солнца, то когда ее жизненный цикл приблизится к завершению, остаток звезды, или остаточное ядро, будет иметь массу примерно от 1,5 до 3 солнечных масс, или масс Солнца. Постарайтесь не запутаться: массой от 9 до 20 солнечных звезда обладает, когда находится на главной последовательности, а массой от 1,5 до 3 солнечных — после того, как потеряет большую часть своего вещества в течение эволюционного цикла. То есть от полутора до трех солнечных масс — это, в действительности, масса остаточного ядра звезды. Но после того, как в этом остатке прекратится синтез и в результате исчезнет направленное наружу давление, он уплотнится достаточно, чтобы вызвать вспышку сверхновой звезды, как вы видели в предыдущем сюжете. При коллапсе ядра возникает ударная волна, которая, пройдя через оставшееся вещество звезды, вызывает его взрыв. То, что останется после взрыва, сожмется в нейтронную звезду. В этом видеоролике я хочу рассказать, как эволюционирует очень массивная звезда. Мы пока не знаем точных пределов массы, определяющих тот или иной путь развития звезды. Но, допустим, у нас имеется звезда массой более 20 солнечных. Это начальная масса, до того как выгорит ее термоядерное топливо. На поздних стадиях эволюции, после образования железного ядра, эта звезда превратится в очень плотный остаток массой более трех или четырех масс Солнца. И, хотя масса от 3 до 4 солнечных не слишком велика, но она спрессована в малом объеме, ее плотность намного выше солнечной. Получится железо-никелевое ядро, в котором прекратились реакции синтеза. Какова его дальнейшая судьба? Такой объект будет настолько массивным, что даже давление вырожденных нейтронов не сможет удержать его от «проваливания» в себя. Поэтому все звезды такого порядка массы коллапсируют. Во-первых, можно полагать, что звёзды с массой порядка солнечной сколлапсируют в белые карлики. Изобразим его белым цветом. Как вы помните, это объект, в котором прекратились реакции термоядерного синтеза, и он излучает свет за счет накопленных запасов энергии, постепенно остывая. И превращается в белого карлика. От дальнейшего коллапса белый карлик предохраняет давление вырожденного электронного газа. Попросту говоря, атомы сближаются так тесно, что электроны «упираются» друг в друга. Но если внешнее давление превышает некоторый порог, происходит нейтронизация вещества. Протоны захватывают электроны, превращаясь в нейтроны, и звезда становится совсем крошечной. Если белые карлики по своим размерам сравнимы с планетами земной группы, то нейтронные звезды, как вы помните из прошлого видео, размером с крупный город. Это сверхплотный и сверхминиатюрный объект: его масса больше, чем у белого карлика, а диаметр и объем меньше. Фактически, чтобы нарисовать его в масштабе, надо было бы поставить крошечную точку. Трудно вообразить такую плотность. Нейтронная звезда по строению похожа на одно сплошное гигантское атомное ядро — «ядро» размером с город, быстро вращающийся шар чудовищной плотности из атомных ядер и отдельных нейтронов. В рамках наших понятий невозможно наглядно представить себе настолько большую массу в таком малом объеме. Итак, давление вырожденного электронного газа преодолено, и произошел коллапс. Но если масса звезды достаточно велика, как уже было сказано, то даже давление вырожденных нейтронов неспособно удержать ее от стремительного «обрушивания» внутрь себя. Теоретически, конечно, есть еще кварковые звёзды, в которых действует давление вырожденных кварков. Но если отвлечься от теорий, то любая настолько массивная звезда сколлапсирует в безразмерную точку. Разумеется, я упрощаю, но общий смысл именно таков — сжатие в бесконечно малый объем и образование объекта бесконечно большой плотности. Такой массивный объект называется черной дырой. Я определяю черную дыру с помощью массы, так как есть разные способы определить, где начинается и кончается черная дыра и что она собой представляет. Так что это — вся масса черной дыры или того, что осталось от исходной звезды. Вся масса оставшейся части звезды, равная примерно 3—4 массам Солнца, теперь заключена здесь, в бесконечно малом объеме. Разумеется, не совсем вся, часть ее высвободилась в виде энергии при взрыве сверхновой, что также верно и для нейтронной звезды. Но все же большая часть этой массы теперь упакована в бесконечно малую точку. В физике и математике такую точку называют сингулярностью. Сингулярностью. Сингулярность в математике — это точка, в которой функции теряют свои обычные свойства, где ничего уже не имеет смысла и математические уравнения не дают определенного решения. Сингулярность в данном случае означает, что огромная масса умещается в бесконечно малом пространстве. По существу, это означает бесконечно большую плотность. Сложно представить это наглядно. Такая область пространства-времени обладает бесконечной кривизной. К сожалению, я не могу это изобразить. Возможно, мы обсудим этот вопрос в других видео. Но причина, по которой я сказал, что есть разные способы определить местонахождение черной дыры, или же ее физические границы, в том, что она обладает массой. И если рядом с ней окажутся другие массивные объекты, они, очевидно, попадут в поле ее притяжения и станут частью этой сингулярности. То есть и без того огромная масса, заключенная в бесконечно малой точке, увеличится еще больше. Однако ее границы трудно определить еще и потому, что вокруг сингулярности существует некоторая область, попав в которую, никакой объект не сможет выйти наружу. Ни его масса, ни энергия, которой он обладает, не имеют значения. Гравитация черной дыры настолько велика, что не выпускает наружу ничего. Даже электромагнитное излучение, или световые волны, в том числе испущенные самой черной дырой, под действием ее тяготения искривляются и возвращаются обратно. Ничто не способно выйти из-под влияния ее гравитации. Вокруг черной дыры образуется сферическая область пространства, внутри которой силы тяготения настолько велики, что преодолеть их может только объект, обладающий сверхсветовой скоростью. В нашем физическом пространстве это невозможно, и поэтому покинуть черную дыру нельзя. Если же находиться с внешней стороны этой границы, то улететь от черной дыры возможно, хотя и трудно. Так что если объект расположен снаружи некоторой границы, он может вырваться, а если внутри — нет. Что бы он ни делал, тяготение возвратит его к черной дыре. Такая граница называется горизонтом событий. Черную дыру окружает горизонт событий — вы наверняка слышали этот термин во множестве научно-фантастических фильмов. По вполне понятным причинам это чрезвычайно любопытно. И в следующих сюжетах (я надеюсь, об излучении Хокинга) вы увидите, что черная дыра не выпускает даже собственное излучение. Это побочный продукт квантовых эффектов, которые происходят вблизи горизонта событий. Горизонт событий — граница сферической (в простейшем случае) области пространства, приблизившись вплотную к которой или проникнув за нее, любой объект рано или поздно присоединится к черной дыре, увеличив ее массу. Даже кванты света не имеют ни малейшего шанса на освобождение. Каким же образом можно узнать, как выглядит черная дыра, если свет не может ее покинуть? Следовательно, она должна быть черной в буквальном смысле, то есть не излучать ни в каком диапазоне, не только в оптическом, но и в остальных диапазонах, длин волн. Тем не менее я могу показать вам несколько изображений черных дыр, взятых мной с сайта НАСА. Сейчас объясню, что на них происходит. Конечно, это не фотографии, а художественные иллюстрации. Черная сфера на рисунке изображает черную дыру. Люди часто представляют себе предмет разговора буквально, и в данном случае черную дыру нарисовали в соответствии с названием. Но настоящая черная дыра — это бесконечно малая область бесконечно высокой плотности, расположенная в центре нарисованной здесь черной сферы, которая на самом деле является границей горизонта событий. Саму дыру, разумеется, невозможно увидеть. А то, что вы видите вокруг — это аккреционный диск, окружающий черную дыру. По мере приближения к дыре вещество, падающее на нее, формирует вращающийся диск. Чем ближе к его центру, тем быстрее оно движется, все сильнее сжимаясь и нагреваясь. Именно поэтому художник изобразил вещество вблизи центра диска более ярким и горячим, чем вдали от центра. Приближаясь к горизонту событий, вещество ускоряется, а преодолев его, становится невидимым для внешнего наблюдателя, пусть даже оно будет излучать с невероятной мощностью. На следующем снимке изображена звезда, разорванная на куски черной дырой. Только на самом деле это не снимок, а художественная иллюстрация, как и все остальные. У нас нет возможности получить качественные фотографии событий, происходящих вблизи черных дыр, но иллюстрации сделаны на основе научных представлений о них. Итак, изображение звезды, разрушенной черной дырой. Эта звезда слишком приблизилась к черной дыре и попала в сферу ее притяжения. Даже с внешней стороны горизонта событий влияние гравитации очень велико, поэтому любая масса, отделившаяся от звезды, будет необратимо притянута черной дырой. Таким образом, звезда постепенно распадается на части. На третьем рисунке это событие показано более детально. Вначале звезда компактна, но оказавшись в зоне действия гравитации черной дыры, она начинает как бы растягиваться и в итоге рассыпается. Ее вещество начинает закручиваться спиралью, приближаясь к черной дыре, и затем, скрывшись под горизонтом событий, полностью исчезает из виду. Ведь даже свет, излучаемый интенсивно разогретым при входе в черную дыру веществом, не может преодолеть ее тяготение. Надеюсь, вам было интересно. Стоит уточнить, что мы все еще не понимаем многих процессов, касающихся черных дыр. Фактически, само понятие сингулярности является камнем преткновения для теоретической физики и математики. Он показывает, насколько наши знания неполные. Ведь если бы наши теории были полноценны, возможно, они дали бы нам нечто более разумное, чем тот факт, что все наши уравнения теряют смысл в этой точке с бесконечной плотностью. Как бы то ни было, надеюсь, вам было интересно. Subtitles by the Amara.org community