Черная дыра

Черные дыры – астрофизические объекты, которые создают настолько большую силу притяжения, что никакие частицы не могут оторваться на их поверхности. Поиски черных дыр во Вселенной – одна из актуальных задач астрофизики. Предполагают, что черные дыры могут быть невидимыми компонентами некоторых двойных систем. Обнаружить их при этом можно по рентгеновскому излучению, которое возникает вследствие перетекания газа в черной дыры с соседней (обычной) звезды. Предполагают также, что в ядрах активных Галактик и квазарах могут быть сверхмассивные черные дыры.
Сам термин был придуман Джон Арчибальд Уилер в конце 1967 года и впервые применен в публичной лекции "Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)" 29 декабря 1967.
Гравитационные искажения, вызванные черной дырой перед Великой Магеллановых Облаком (художественное изображение) Рисунок художника: аккреционный диск горячей плазмы, который вращается вокруг черной дыры. Лаплас в 1787 впервые рассчитал размер тела с плотностью воды, на поверхности которого вторая космическая скорость равна скорости света. Такое тело для внешнего наблюдателя было бы абсолютно черным.
В 1916 Шварцшильд нашел решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна для сферичносиметричного тела. По ОТО, если размер тела не превышает гравитационного радиуса , Тело своим притяжением будет захватывать свет и любую другую материю. Гравитационный радиус для Солнца составляет 3 км, а для массивных звезд до 200 км.
В 1930-х при построении теории эволюции звезд было показано, что звезды с массой более 3 массы Солнца на конечной стадии своей эволюции непременно должны коллапсировать (сжиматься) до гравитационного радиуса. В 1967 Джон Уилер назвал такие коллапсара "черными дырами".
В 1960-х были открыты галактики с активными ядрами – квазары, радиогалактики и другие. Для объяснения их излучения была построена модель аккреции (падения) вещества на гигантскую (размером более миллиона километров) черную дыру в центре галактики.
В 1970-х Стивен Хокинг теоретически предсказал квантовое излучение микроскопических черных дыр (размером меньших атомное ядро). Такие черные дыры могли образоваться в момент Большого Взрыва и остаться до наших дней. Первичные черные дыры наблюдать невозможно, поэтому они остаются гипотетическими.
В 2000-х годах установлено, что в центре практически каждой галактики находится черная дыра, а также ту особую роль, которую играют черные дыры в образовании галактик.
Ергосфера представляет собой эллипсоид вне горизонта событий, объекты в нем не могут находиться в состоянии покоя. Черная дыра может иметь три физические параметры: массу, электрический заряд и момент импульса. Вокруг черной дыры можно построить мысленную поверхность, из-под которой не может выходить излучение, такая поверхность называется горизонтом событий. Область пространства-времени вблизи черной дыры, расположенной между горизонтом событий и пределом статичности называется ергосферою. Объекты, находящиеся в пределах ергосферы, неизбежно вращаются вместе с черной дырой за счет эффекта Ленза – Тирринга. Ергосфера имеет форму сфероида, меньшая полуось которого равна радиусу горизонта событий, большая – удвоенному радиусу. В недрах черной дыры кривизна силы гравитации достигает бесконечности в области, которая называется сингулярностью. Для черных дыр которые не обращаются сингулярность имеет форму точки. Сингулярность черной дыры, которая вращается, имеет форму кольца.
Черные дыры звездных масс наблюдаются в составе тесных двойных систем. Вещество звезды-спутника перетекает в черную дыру по спирали. При этом образуется аккреционный диск, который излучает в рентгеновском и гамма-диапазонах. Первая черная дыра была открыта в 1967 в созвездии Лебедя. До 2004 г. рентгеновский космический телескоп RXTE достоверно обнаружил 15 черных дыр в двойных звездных системах в нашей галактике.
Массы гигантских черных дыр определяют по скоростям звезд в ядрах галактик. На 2004 г. таким образом определенные массы центральных черных дыр в 30 галактиках, в том числе и в нашей.
Также черные дыры могут быть обнаружены благодаря явлению гравитационного линзирования (при прохождении черной дыры между обычной звездой и наблюдателем, происходит визуальное увеличение яркости звезды, поскольку гравитационное поле черной дыры искривляет световые лучи). Это явление также называют кольцами Эйнштейна.
Поскольку наблюдаются черные дыры звездных масс до 20 масс солнца и сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик с массой более 2 миллионов масс солнца, встает вопрос, во вселенной черные дыры промежуточных масс, с массой несколько тысяч масс солнца? Лучшим наблюдательным свидетельством о существовании таких черных дыр является ультраярких рентгеновские источники, наблюдающиеся во многих галактиках как близких к нам так и в отдаленных. Если объяснять эти источники, как результат аккреции вещества на черную дыру, то по характеру аккреции можно сделать предположение о массе черной дыры.
Черные дыры промежуточных масс могут образовываться в центре шарового скопления, кроме того они могут быть в гало галактики. Такие объекты могут наблюдаться благодаря гравитационного микролинзирования: если черная дыра промежуточной массы с гало галактики окажется на луче зрения к какой звезды, то будет наблюдаться вспышка звезды, по характеру которого можно определить массу черной дыры. Сейчас проводят такие наблюдения, но черные дыры промежуточных масс пока не обнаружено.
Механизмы образования черных дыр промежуточных масс:
1) Образование черной дыры во время Великого взрыва в ранней вселенной. Во время Большого взрыва могли образоваться первини черные дыры любых масс, в том числе и многие тысячи масс солнца.
2) Остатки звезд третьего типа населения. Заре третьего типа населения – это первые звезды во вселенной, которые возникли в первые сотни миллионов лет его существования. Они имели большие массы могло привести к образованию достаточно массивных черных дыр.
3) Столкновение звезд и черных дыр в шаровом звездном скучены. Также черные дыры промежуточных масс могут существовать в ядрах галактик. При образовании галактики вещество коллапсирует и в ее центре могут образовываться черные дыры промежуточных масс, из которых со временем образуется гигантская сверхмассивная черная дыра.
Альтернативные объяснения ультраярких рентгеновских источников. Вместо черных дыр промежуточных масс ультраякрави рентгеновские источники могут объясняться с помощью явления микроблазара. Микроблазар-это двойная система с черной дырой звездной массы в которой есть акреацийний диск и джет (струя вещества вдоль оси вращения черной дыры) причем этот джет направлен на наблюдателя (на нашу галактику, на солнечную систему). Также ультраярких рентгеновские источники могут объясняться супер-Едингтонивським излучением, в результате аккреции вещества на черную дыру звездной массы, но эти модели недостаточно развиты.
Место черных дыр промежуточных масс:
1) Образование сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
2) Черные дыры промежуточных масс могут быть источниками гравитационных волн. Если будут зарегистрированы гравитационные волны, то с помощью них можно будет напрямую открыть черные дыры промежуточных масс.