Черные дыры

Однако вещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапс продолжается вечно, и, в конце концов, вещество сжимается до нулевого объема в центре звезды. Этот центр называется сингулярностью. Следовательно, образование черных дыр для космической материи представляет собой не формальную возможность, а является закономерным и неизбежным этапом эволюции.

Уравнение Шварцшильда

В 1916 г., всего лишь через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения гравитационного поля в общей теории относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел их точное решение, которое, как оказалось впоследствии описывает геометрию пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру, характеризующуюся только массой. Породившая эту черную дыру гипотетическая умирающая звезда должна не вращаться и быть лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. Вещество такой умирающей звезды падает по радиусу «вниз» к центру звезды, и говорят, что получившаяся черная дыра обладает сферической симметрией. Такая шварцшильдовская черная дыра представляет собой самый простой из всех возможных типов черной дыры. Она состоит из сингулярности, окруженной горизонтом событий на расстоянии 1 шварцшильдовского радиуса.

Для понимания того, что представляет собой черные дыры, важное значение имеет так называемый гравитационный радиус. Размеры дыр характеризуются гравитационным радиусом, равным

Rg = 2GM/с2

где G – гравитационная постоянная: G = 6,67 * 10-11 H * м2 * кг-2; М – масса тела; с – скорость света в вакууме: с = 3,00 * 108 м * с-1.

Сфера, описанная гравитационным радиусом, называется сферой Шварцшильда. Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временная координата обращается в нуль, а пространственная в бесконечность. Гравитационный радиус (а следовательно, и сфера Шварцшильда) задается одной переменной – массой, т.е. телу с определенной массой должен соответствовать конкретный гравитационный радиус. Если взять любое тело и мысленно поместить его массу под сферу Шварцшильда, то тело сжимается и получается черная дыра. Если же представить обратное: та же масса не сжимается, а расширяется под сферой Шварцшильда, то данный объект – белая дыра. Найти естественные механизмы того, как тело может сжаться до гравитационного радиуса или оказаться под ним, - значит объяснить природу образования черных и белых дыр во Вселенной.

Поверхность Шварцшильда задает особенности поведения черной дыры для удаленного наблюдателя. Быстрое сжатие вблизи сферы Шварцшильда для наблюдателя резко замедляется. Когда поверхность черной дыры приближается к сфере Шварцшильда, темп времени стремится к нулю, а силы – к бесконечности. Уравнение движения таково, что поверхность черной дыры достигает сферы Шварцшильда за бесконечный промежуток времени. Но за очень короткое время (порядка 10-3 с) для внешнего наблюдателя объект исчезает. Из черной дыры для данного наблюдателя не поступают никакие сигналы. Она себя никак не проявляет, за исключением гравитационного статического поля, и представляет собой односторонний «клапан».

Черные дыры известны в науке и под другими названиями: застывшая звезда, гравитационная могила, коллапсар, флуктуар, отон. Во всех этих названиях нашли отражение различные свойства и особенности черных дыр. Так, термин «застывшая звезда» отражает тот факт, что отдаленного наблюдателя процессы, происходящие на черной дыре, очень замедляются, как бы застывают. Название «гравитационная могила» говорит о том, что космическая материя, оказавшаяся в черных дырах, якобы выходит из активных процессов развития, как бы умирает. В термине «коллапсар» нашел отражение процесс образования черных дыр, которые рождаются из вещества звезды в результате катастрофического гравитационного сжатия – релятивистского коллапса. В названии «флуктуар» переданы опосредованные особенности черных дыр, проявляющиеся себя через флуктуирующее (произвольно меняющееся) излучение окружающего их вещества. Термин «отон» обозначает более широкий класс релятивистских объектов, предсказанных ОТО, в который кроме черных дыр входят еще белые и серые дыры.

Только в одном белые дыры подобны черным: и те и другие – дыры, во всем остальном они различны. Белые дыры называют антиколлапсарами, так как в отличие от черных дыр они не сжимаются, а расширяются – антиколлапсируют. Если черная дыра – коллапсирующий отон, то белая – антиколлапсирующий. Иногда белые дыры называют малыми взрывами (вотличие от Большого Взрыва, который привел к возникновению и последующему расширению нашей Метагалактики). Согласно одному из возможных вариантов образования белых дыр, предложенному советским астрофизиком И.Д. Новиковым, они возникли в результате задержки в так называемых ядрах части материи Большого Взрыва. В связи с этим белые дыры иногда называют задержавшимися ядрами.