Нейтронная звезда и чёрная дыра. Гравитационный коллапс

Черная дыра, это и есть нейтронная звезда, точнее, черная дыра представляет собой одну из разновидностей нейтронных звезд.

Черня дыра, как и нейтронная звезда состоит из нейтронов. Причем, это не нейтронный газ, в котором нейтроны находятся в свободном состоянии, а очень плотная субстанция с плотностью атомного ядра.

Черные дыры и нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса, когда давление газа в звезде не может уравновесить её гравитационное сжатие. При этом звезда сжимается до очень маленького размера и очень большой плотности, так что электроны вдавливаются в протоны и образуются нейтроны.

Заметим, что среднее время жизни свободного нейтрона около 15 минут (период полураспада около 10 минут). Поэтому нейтроны в нейтронных звездах и в черных дырах могут быть только в связанном состоянии, как в атомных ядрах. Поэтому нейтронная звезда и черная дыра, это как бы атомное ядро макроскопических размеров, в котором нет протонов.

Отсутствие протонов, это одно отличие черной дыры и нейтронной звезды от атомного ядра. Второе отличие связано с тем, что в обычных атомных ядрах нейтроны и протоны "склеены" друг с другом с помощью ядерных сил (так называемое, "сильное" взаимодействие). А в нейтронных звездах нейтроны "склеены" с помощью гравитации.

Дело в том, что ядерным силам нужны еще и протоны для "склеивания" нейтронов друг с другом. Не существует таких ядер, которые состоят только из одних нейтронов. Обязательно должен быть хотя бы один протон. А для гравитации никакие протоны не нужны, чтобы "склеить" нейтроны друг с другом.

Еще одно отличие гравитации от ядерных сил заключается в том, что гравитация, это дальнодействующее взаимодействие, а ядерные силы, это короткодействующее взаимодействие. Поэтому атомные ядра не могут быть макроскопических размеров. Начиная с урана, все элементы периодической таблицы Менделеева имеют неустойчивые ядра, которые распадаются из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и разрывают крупные ядра.

У нейтронных звезд и черных дыр такой проблемы нет, так как, во-первых, гравитационные силы дальнодействующие, а, во-вторых, в нейтронных звездах и черных дырах нет положительно заряженных протонов.

Нейтронная звезда и черная дыра под действием сил гравитации имеют форму шара, а точнее эллипсоида вращения, так как все нейтронные звезды (и черные дыры) вращаются вокруг своей оси. Причем достаточно быстро, с периодами вращения от нескольких секунд и меньше.

Дело в том, что нейтронные звезды и черные дыры образуются из обычных звезд путем их сильного сжатия под действием гравитации. Поэтому, по закону сохранения момента вращения, они должны очень быстро вращаться.

Является ли поверхность черных дыр и нейтронных звезд твердой? Не в смысле твердого тела, как агрегатного состояния вещества, а в смысле четкой поверхности шара, без нейтронной атмосферы. Видимо, да, черные дыры и нейтронные звезды имеют твердую поверхность. Нейтронная атмосфера и нейтронная жидкость, это нейтроны в свободном состоянии, значит, они должны распадаться.

Но это не значит, что, если мы, например, уроним на поверхность черной дыры или нейтронной звезды какое-нибудь "изделие" из нейтронов с плотностью атомного ядра, то оно останется лежать на поверхности звезды. Такое гипотетическое "изделие" тут же "всосется" во внутрь нейтронной звезды и черной дыры.

Отличие черных дыр от нейтронных звезд

Сила тяжести у черной дыры такая, что вторая космическая скорость на её поверхности превышает скорость света. Поэтому свет с поверхности черной дыры не может навсегда уйти в открытый космос. Гравитационные силы заворачивают луч света обратно.

Если на поверхности черной дыры находится источник света, то фотоны этого света сначала летят вверх, а потом поворачивают и падают обратно на поверхность черной дыры. Или эти фотоны начинают вращаться вокруг черной дыры по эллиптической орбите. Последнее имеет место на такой черной дыре, на поверхности которой первая космическая скорость меньше скорости света. В этом случае фотон может вырваться с поверхности черной дыры, но он превращается в постоянный спутник черной дыры.

А на поверхности всех остальных нейтронных звезд, которые не являются черными дырами, вторая космическая скорость меньше скорости света. Поэтому, если на поверхности такой нейтронной дыры находится источник света, то фотоны от этого источника света покидают поверхность такой нейтронной звезды по гиперболическим орбитам.

Понятно, что все эти рассуждения относятся не только к видимому свету, но и к любому электромагнитному излучению. То есть покинуть черную дыру не может не только видимый свет, но и радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Максимум, что смогут фотоны этих излучений и волн, это начать вращаться вокруг черной дыры, если для данной черной дыры скорость света больше первой космической скорости на поверхности звезды.

Поэтому такие нейтронные звезды и называются так "черная дыра". От черной дыры ничего не вылетает, а всё что угодно может туда залететь. (Испарение черных дыр за счет квантового туннелирования здесь рассматривать не будем.)

То есть понятно, что никакой дырки в пространстве там на самом деле нет. Точно также, как нет никакой дырки в пространстве на месте расположения обычной нейтронной звезды или на месте обычной звезды.

Дырки в пространстве там есть только в книгах писателей-фантастов, в научно-популярных изданиях и телепередачах. Изданиям и телепередачам нужно финансово отбить затраты на тиражи и рейтинги. Поэтому им приходится эмоционально поражать своих читателей и телезрителей такими фактами, которые нельзя проверить при сегодняшнем уровне развития науки и техники, но которые могут появится в каких-нибудь математических моделях. (Непрофессиональная публика обычно не подозревает, что математические модели в физике всегда вторичны, что физика наука экспериментальная и что математические модели физических объектов имеют свойство в будущем меняться по мере появления новых экспериментальных данных.)

Если бы мы могли стоять на поверхности черной дыры, то посмотрев вверх мы бы увидели вместо звездного неба полупрозрачное зеркало. То есть мы видели бы там и окружающий космос (так как черная дыра принимает всё излучение отправленное к ней) и тот свет, который возвращается к нам обратно не сумев преодолеть гравитация. Этот возврат света обратно имеет эффект зеркала.

Точно такое же полупрозрачное "зеркало" на поверхности черной дыры имеет место и для других видов электромагнитного излучения (радиоволны, рентген, ультрафиолет и т.д.)

Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие останавливается на стадии так называемого «белого карлика».

Плотность белого карлика больше 10 7 г/см 3 , температура поверхности ~ 10 4 K. При столь высокой температуре атомы должны быть полностью ионизованы и внутри звезды ядра должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды.

Давление вырожденного электронного газа имеет квантовую природу. Оно возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны.

Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон. Внешнее давление не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны достигли минимального объема и гравитационное сжатие уравновешено внутренним давлением электронного газа.

Ограничение на массу белого карлика примерно 1.5M s . Эта предельная масса и называется она пределом Чандрасекара (M s – масса Солнца, равная ~ 1,99·10 30 кг).

Обычно полагают, что максимальная масса белого карлика 1.4M s . Таким образом, давление вырождения электронов не может удержать массы большие, чем 1.4M s . Если 0.5M s < M < 1.4M s , ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M < 0.5M s , ядро белого карлика состоит из гелия.

Плотность белого карлика с массой, близкой к чандрасекаровской – 6х10 6 г/см 3 , радиус – 5х10 3 км.

Светимость белых карликов составляет 10 -2 -10 -4 от светимости Солнца. Их излучение обеспечивается запасенной в них тепловой энергией.

Нейтронная звезда

Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M s остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M s .

В звездах с остаточной массой M > 1.4M s , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой.

Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы «вдавливаются» друг в друга и в результате реакции

p + e - > n + v e

после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны.

Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 10 14 - 10 15 г/см 3 . Характерный размер нейтронной звезды 10-15 км.

В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро.

Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это так же давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но – давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M s .

Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее падает с 10 11 до 10 9 K за время ~ 100 с. Дальше темп остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 K происходит за 100 лет и до 10 6 K – за миллион лет.

Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и низкой температуры.

В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического электромагнитного излучения – пульсары . Периоды повторения импульсов большинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10 -2 до 4.3 с.

Согласно современным представлениям, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1-3M s и диаметр 10-20 км.

Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения.

Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 10 12 Гс.

B – вектор магнитной индукции, основная силовая характеристика магнитного поля. Измеряется в гауссах (Гс) в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) и в теслах (Тл) в Международной системе единиц (СИ). 1 Тл = 10 4 Гс.

Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Когда луч пересекает Землю регистрируется импульс.

Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан ниже на рисунке

Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды.

Форма импульса может быть очень сложной, что обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для каждого пульсара.

Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.

В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера.

Когда пульсар приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в состав двойных звезд.

Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16, входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7 часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.

Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнаружен. Нейтронная звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного рентгеновского излучения.

Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах.

Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду.

В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому «тихому» коллапсу.

Имеется предел для массы звезды, которая может удерживаться в равновесии плотно упакованными нейтронами. Этот предел невозможно вычислить точно, так как поведение вещества при плотностях, существенно превышающих плотность ядерной материи, недостаточно изучено.

Оценки массы звезды, которая уже не может стабилизироваться за счет вырожденных нейтронов, дают значение ~ 3M s .

Таким образом, если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массы M > 3M s , то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды.

Ядерные силы отталкивания на малых расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект – черная дыра.

Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые ею, не могут выйти за её пределы и достигнуть внешнего наблюдателя.

Звезда массы M, коллапсируя в черную дыру, достигает сферы радиуса r g (сферы Шварцшильда):

r g = 2GM/c 2 ,

(формально к этому соотношению можно прийти, полагая в известной формуле для второй космической скорости v k2 = (2GM/R) 1/2 предельное значение этой скорости, равное скорости света).

При достижении объектом размера сферы Шварцшильда, его гравитационное поле становится столь сильным, что покинуть этот объект не может даже электромагнитное излучение. Шварцшильдовский радиус Солнца равен 3 км, Земли – 1 см.

Черная дыра Шварцшильда относится к невращающимся объектам и является остатком массивной невращающейся звезды. Вращающаяся массивная звезда коллапсирует во вращающуюся черную дыру (черную дыру Керра).

Черную дыру можно обнаружить только по косвенным признакам, в частности, если она входит в состав двойной звездной системы с видимой звездой. В этом случае черная дыра будет затягивать газ звезды. Этот газ будет нагреваться, становясь источником интенсивного рентгеновского излучения, которое может быть зарегистрировано.

В настоящее время нет прямых экспериментальных подтверждений существования черных дыр. Есть несколько космических объектов, поведение которых можно объяснить присутствием черных дыр.

Так имеется объект Лебедь XI, представляющий собой двойную систему с периодом вращения 5,6 суток. В состав системы входят голубой гигант с массой 22M s и невидимый источник пульсирующего рентгеновского излучения с массой 8M s , который возможно является черной дырой (объект такой большой массы не может быть нейтронной звездой).

Наряду с черными дырами, образовавшимися при коллапсе звезд, во Вселенной могут быть черные дыры, возникшие задолго до появления первых звезд вследствие неоднородности Большого Взрыва.

Появившиеся при этом сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, тогда как остальная часть вещества расширялась. Черные дыры, образовавшиеся на самом раннем этапе Вселенной, называют реликтовыми. Предполагают, что размер некоторых из них может быть значительно меньше размера протона.

В 1974 г. Хокинг показал, что черные дыры должны испускать частицы. Источником этих частиц является процесс образования виртуальных пар частица-античастица в вакууме. В обычных полях эти пары аннигилируют столь быстро, что их не удается наблюдать. Однако в очень сильных полях виртуальные частица и античастица могут разделиться и стать реальными.

На границе черной дыры действуют мощные приливные силы. Под действием этих сил некоторые из частиц (античастиц), входивших в состав виртуальных пар, могут вылететь за пределы черной дыры. Так как многие из них аннигилируют, черная дыра должна становиться источником излучения.

Энергия, излучаемая в пространство черной дырой, поступает из её недр. Поэтому в процессе такого испускания частиц, масса и размеры черной дыры должны уменьшаться. Таков механизм «испарения» черной дыры.

Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, таким образом, более массивные испаряются медленнее, ибо время их жизни пропорционально кубу массы (в четырехмерном пространстве-времени). Например, время жизни черной дыры с массой M порядка солнечной превосходит возраст Вселенной, тогда как микродыра с M = 1 тераэлектронвольт (10 12 эВ, примерно 2x10 -30 кг) живет около 10 -27 секунд (Наука и жизнь, ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ).

Для больших черных дыр темп «испарения» очень медленный и практически им можно пренебречь. Черная дыра массой в 10 солнечных масс испарится за 10 69 лет. Время испарения сверхмассивных (миллиарды масс Солнца) черных дыр, которые могут быть в центре больших галактик, может составлять 10 96 лет.

Процессы превращения звезд в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры, как правило, сопровождаются выбросами колоссальной энергии. Подробнее о подобного рода энергетических выбросах, и других космических взрывах рассказывается в следующем видеосюжете.

Видео: Жесточайшие и крупнейшие взрывы в космосе. Взрывы Галактик, звезд, планет.

Теоретически в черную дыру может превратиться любое космическое тело. Например, такой планете, как Земля, для этого нужно сжаться до радиуса в несколько миллиметров, что на практике, конечно, маловероятно. В новом выпуске с премией «Просветитель» T&P публикуют отрывок из книги физика Эмиля Ахмедова «О рождении и смерти черных дыр» , в котором объясняется, как небесные тела превращаются в черные дыры и можно ли их разглядеть на звездном небе.

Как образуются черные дыры?

*Если какая-то сила сожмет небесное тело до соответствующего его массе радиуса Шварцшильда, то оно настолько искривит пространство–время, что даже свет не сможет его покинуть. Это и означает, что тело станет черной дырой.

Например, для звезды с массой Солнца радиус Шварцшильда приблизительно равен трем километрам. Сравните эту величину с настоящим размером Солнца - 700 000 километров. В то же время для планеты с массой Земли радиус Шварцшильда равен нескольким миллиметрам.

[…]Только гравитационная сила способна сжать небесное тело до таких маленьких размеров, как его шварцшильдовский радиус*, так как только гравитационное взаимодействие ведет исключительно к притяжению, и фактически неограниченно возрастает при увеличении массы. Электромагнитное взаимодействие между элементарными частицами на много порядков сильнее гравитационного. Однако любой электрический заряд, как правило, оказывается компенсированным зарядом противоположного знака. Гравитационный заряд - массу ничто не может заэкранировать.

Такая планета, как Земля, не сжимается под собственной тяжестью до соответствующих размеров Шварцшильда потому, что ее массы недостаточно для преодоления электромагнитного расталкивания ядер, атомов и молекул, из которых она состоит. А такая звезда, как Солнце, являясь намного более массивным объектом, не сжимается из-за сильного газодинамического давления за счет высокой температуры в его недрах.

Заметим, что для очень массивных звезд, с массой больше ста Солнц, сжатие не происходит в основном из-за сильного светового давления. Для звезд массивнее двухсот Солнц ни газодинамического и ни светового давления оказывается не достаточно, чтобы предотвратить катастрофическое сжатие (коллапс) такой звезды в черную дыру. Однако ниже речь пойдет об эволюции более легких звезд.

Свет и высокая температура звезд являются продуктами термоядерных реакций. Такая реакция идет потому, что в недрах звезд достаточно водорода и вещество сильно сжато под давлением всей массы звезды. Сильное сжатие позволяет преодолеть электромагнитное отталкивание одинаковых зарядов ядер водорода, ведь термоядерная реакция - это слияние ядер водорода в ядро гелия, сопровождающееся большим выделением энергии.

Рано или поздно количество термоядерного топлива (водорода) сильно сократится, световое давление ослабнет, температура упадет. Если масса звезды достаточно мала, как, например, у Солнца, то она пройдет через фазу красного гиганта и превратится в белый карлик.

Если же ее масса велика, то звезда начнет сжиматься под собственной тяжестью. Произойдет коллапс, который мы можем увидеть как взрыв сверхновой. Это очень сложный процесс, состоящий из многих фаз, и пока не все его детали ясны ученым, но многое уже понятно. Известно, например, что дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы в момент перед коллапсом. Результатом такого сжатия может быть либо нейтронная звезда, либо черная дыра, или же комбинация из нескольких подобных объектов и белых карликов.

«Черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд»

Нейтронные звезды и белые карлики не коллапсируют до состояния черной дыры, так как их массы недостаточно, чтобы преодолеть давление нейтронного или электронного газа соответственно. Эти давления обусловлены квантовыми эффектами, вступающими в силу после очень сильного сжатия. Обсуждение последних не имеет непосредственного отношения к физике черных дыр и выходит за рамки данной книги.

Однако если, например, нейтронная звезда находится в двойной звездной системе, то она может притягивать материю со звезды компаньона. В таком случае ее масса будет расти и, если она превысит некоторое критическое значение, опять произойдет коллапс, уже с образованием черной дыры. Критическая масса определяется из условия, что газ нейтронов создает недостаточное давление, чтобы удержать ее от дальнейшего сжатия.

*Это приблизительная оценка. Точное значение предела пока не известно. - Прим. автора.

Итак, черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд. В современном представлении масса сердцевины звезды после выгорания термоядерного топлива должна составлять не менее двух с половиной солнечных*. Никакое известное нам состояние вещества не способно создать такое давление, которое удержало бы столь большую массу от сжатия до состояния черной дыры, если выгорело все термоядерное топливо. Факты, экспериментально подтверждающие упомянутое ограничение на массу звезды для образования черной дыры, мы обсудим чуть позже, когда будет рассказано, как астрономы обнаруживают черные дыры. […]

Рис. 7. Неверное представление о коллапсе с точки зрения стороннего наблюдателя как о замедляющемся вечном падении вместо формирования горизонта черной дыры

В связи с нашим обсуждением поучительно будет на примере вспомнить о взаимосвязи различных идей и представлений в науке. Этот рассказ, возможно, позволит читателю ощутить, насколько потенциально глубок обсуждаемый вопрос.

Известно, что Галилей пришел к тому, что сейчас называется законом Ньютона об инерциальных системах отсчета, отвечая на критику системы Коперника. Критика заключалась в том, что Земля не может вращаться вокруг Солнца по причине того, что иначе мы бы не удержались на ее поверхности.

В ответ Галилей утверждал, что Земля вращается вокруг Солнца по инерции. А инерциальное движение мы не можем отличить от покоя, так же как не ощущаем инерциальное движение, например, корабля. При этом он не верил в гравитационные силы между планетами и звездами, так как не верил в действие на расстоянии, а про существование полей он и вовсе не мог знать. Да и не принял бы столь абстрактного на тот момент объяснения.

Галилей считал, что инерциальное движение может происходить только по идеальной кривой, то есть Земля может двигаться только по окружности или же по окружности, центр которой, в свою очередь, вращается по окружности вокруг Солнца. То есть может существовать наложение разных инерциальных движений. Последний тип движения можно усложнить, добавив еще больше окружностей в композиции. Такое вращение называется движением по эпициклам. Оно было придумано еще для согласования птолемеевой системы с наблюдаемыми положениями планет.

Кстати, в момент своего создания система Коперника описывала наблюдаемые явления гораздо хуже системы Птолемея. Так как Коперник тоже верил только в движение по идеальным окружностям, у него получалось, что центры орбит некоторых планет находились за пределами Солнца. (Последнее являлось одной из причин задержки публикации Коперником своих работ. Ведь он верил в свою систему исходя из эстетических соображений, а наличие странных смещений центров орбит за пределы Солнца в эти соображения не вписывались.)

Поучительно то, что в принципе система Птолемея могла описывать наблюдаемые данные с любой наперед заданной точностью - нужно было только добавить необходимое число эпициклов. Однако, несмотря на все логические противоречия в исходных представлениях ее создателей, только система Коперника могла привести к концептуальному перевороту в наших взглядах на природу - к закону всемирного тяготения, который описывает как движение планет, так и падение яблока на голову Ньютона, а в дальнейшем и к понятию поля.

Поэтому Галилей отрицал кеплеровское движение планет по эллипсам. Они с Кеплером обменивались письмами, которые были написаны в довольно-таки раздражительном тоне*. И это несмотря на их полную поддержку одной и той же планетарной системы.

Итак, Галилей считал, что Земля движется вокруг Солнца по инерции. С точки зрения механики Ньютона это явная ошибка, так как на Землю действует гравитационная сила. Однако с точки зрения общей теории относительности Галилей должен быть прав: в силу этой теории, в гравитационном поле тела движутся по инерции по крайней мере тогда, когда их собственной гравитацией можно пренебречь. Такое движение происходит по так называемой геодезической кривой. В плоском пространстве это просто прямая мировая линия, а в случае планеты Солнечной системы это такая геодезическая мировая линия, которая отвечает эллиптической траектории, а не обязательно круговой. К сожалению, Галилей этого не мог знать.

Однако из общей теории относительности известно, что движение происходит по геодезической, только если можно пренебречь искривлением пространства самим движущимся телом (планетой) и считать, что оно искривляется исключительно гравитирующим центром (Солнцем). Возникает естественный вопрос: так прав ли был Галилей по поводу инерциальности движения Земли вокруг Солнца? И хотя это уже и не столь важный вопрос, так как теперь мы знаем причину, по которой люди не слетают с Земли, возможно, он имеет отношение к геометрическому описанию гравитации.

Как можно «увидеть» черную дыру?

[…] Перейдем теперь к обсуждению того, как черные дыры наблюдаются на звездном небе. Если черная дыра поглотила все вещество, которое ее окружало, то ее можно увидеть только через искажение лучей света от дальних звезд. То есть если бы недалеко от нас оказалась черная дыра в таком чистом виде, то мы увидели бы примерно то, что изображено на обложке. Но даже встретив подобное явление, нельзя быть уверенным, что это черная дыра, а не просто массивное, несветящееся тело. Требуется определенная работа, чтобы отличить одно от другого.

Однако в реальности черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды. Поэтому астрономы наблюдают нечто вроде картинки, изображенной на рис. 9. Но как они делают вывод, что это именно черная дыра, а не какая-нибудь звезда?

Рис. 9. Реальность гораздо прозаичней, и нам приходится наблюдать черные дыры в окружении различных небесных тел, газов и облаков пыли

Для начала выбирают определенного размера область на звездном небе, как правило, в двойной звездной системе или в активном ядре галактики. По спектрам излучения, исходящего из нее, определяется масса и поведение вещества в ней. Далее фиксируют, что от рассматриваемого объекта исходит излучение, как от падающих в гравитационном поле частиц, а не только от термоядерных реакций, идущих в недрах звезд. Излучение, являющееся, в частности, результатом взаимного трения падающей на небесное тело материи, содержит значительно более энергичное гамма-излучение, чем результат термоядерной реакции.

«Черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды»

Если наблюдаемая область достаточно мала, не является пульсаром и в ней сосредоточена большая масса, то делается вывод, что это черная дыра. Во-первых, теоретически предсказано, что после выгорания термоядерного топлива не существует никакого состояния вещества, которое могло бы создавать давление, способное предотвратить коллапс столь большой массы в столь маленькой области.

Во-вторых, как только что было подчеркнуто, рассматриваемые объекты не должны быть пульсарами. Пульсар - это нейтронная звезда, которая, в отличие от черной дыры, имеет поверхность и ведет себя как большой магнит, что является одной из тех самых более тонких характеристик электромагнитного поля, чем заряд. Нейтронные звезды, являясь результатом очень сильного сжатия исходных вращающихся звезд, совершают еще более быстрые вращения, ибо угловой момент должен сохраняться. Это приводит к тому, что такие звезды создают магнитные поля, меняющиеся во времени. Последние играют основную роль при образовании характерного пульсирующего излучения.

Все найденные на данный момент пульсары имеют массу меньше двух с половиной масс Солнца. Источники характерного энергичного гамма-излучения, масса которых превышает этот предел, не являются пульсарами. Как видно, этот предел массы совпадает с теоретическими предсказаниями, сделанными исходя из известных нам состояний вещества.

Все это, хотя и не является прямым наблюдением, представляет собой достаточно убедительную аргументацию в пользу того, что астрономы видят именно черные дыры, а не что-либо другое. Хотя что можно считать прямым наблюдением, а что нет - является большим вопросом. Ведь вы, читатель, видите не саму книгу, а лишь рассеянный ею свет. И только совокупность тактильных и визуальных ощущений убеждает вас в реальности ее существования. Точно так же и ученые делают вывод о реальности существования того или иного объекта на основании всей совокупности наблюдаемых ими данных.

В космосе происходит много удивительных вещей, в результате которых появляются новые звезды, исчезают старые и формируются черные дыры. Одним из великолепных и загадочных явлений выступает гравитационный коллапс, который заканчивает эволюцию звезд.

Звездная эволюция - это цикл изменений, проходимый звездой за период ее существования (миллионы или миллиард лет). Когда водород в ней заканчивается и превращается в гелий, формируется гелиевое ядро, а сам начинает превращаться в красного гиганта - звезду поздних спектральных классов, которая обладает высокой светимостью. Их масса может в 70 раз превышать массу Солнца. Очень яркие сверхгиганты называются гипергигантами. Помимо высокой яркости они отличаются коротким периодом существования.

Сущность коллапса

Это явление считается конечной точкой эволюции звезд, вес которых составляет более трех солнечных масс (вес Солнца). Эта величина используется в астрономии и физике с целью определения веса других космических тел. Коллапс случается в том случае, когда гравитационные силы заставляют огромные космические тела с большой массой очень быстро сжиматься.

В звездах весом более трех масс Солнца есть достаточно материала для продолжительных термоядерных реакций. Когда субстанция заканчивается, прекращается и термоядерная реакция, а звезды перестают быть механически устойчивыми. Это приводит к тому, что они со сверхзвуковой скоростью начинают сжиматься к центру.

Нейтронные звезды

Когда звезды сжимаются, это приводит к возникновению внутреннего давления. Если оно растет с достаточной силой для того, чтобы остановить гравитационное сжатие, то появляется нейтронная звезда.

Такое космическое тело обладает простой структурой. Звезда состоит из сердцевины, которую покрывает кора, а она, в свою очередь, формируется из электронов и ядер атомов. Ее толщина равна примерно 1 км и является относительно тонкой, если сравнивать с другими телами, встречающимися в космосе.

Вес нейтронных звезд равен весу Солнца. Отличие между ними заключается в том, что радиус у них небольшой - не более 20 км. Внутри них взаимодействуют друг с другом атомные ядра, формируя, таким образом, ядерную материю. Именно давление со ее стороны не дает нейтронной звезде сжиматься дальше. Этот тип звезд отличается очень высокой скоростью вращения. Они способны совершать сотни оборотов в течение одной секунды. Процесс рождения начинается из вспышки сверхновой, которая возникает во время гравитационного коллапса звезды.

Сверхновые

Вспышка сверхновой представляет собой явление резкого изменения яркости звезды. Далее звезда начинает медленно и постепенно угасать. Так заканчивается последняя стадия гравитационного коллапса. Весь катаклизм сопровождается выделением большого количества энергии.

Следует заметить, что жители Земли могут увидеть этот феномен лишь постфактум. Свет достигает нашей планеты спустя долгий период после того, как произошла вспышка. Это стало причиной возникновения сложностей при определении природы сверхновых.

Остывание нейтронной звезды

После окончания гравитационного сжатия, в результате которого сформировалась нейтронная звезда, ее температура очень высока (намного выше, чем температура Солнца). Остывает звезда благодаря нейтринному охлаждению.

В течение пары минут их температура может опуститься в 100 раз. На протяжение последующих ста лет - еще в 10 раз. После того, как снижается, процесс ее охлаждения существенно замедляется.

Предел Оппенгеймера-Волкова

С одной стороны, этот показатель отображает максимально возможный вес нейтронной звезды, при котором гравитация компенсируется нейтронным газом. Это не дает возможность гравитационному коллапсу закончиться появлением черной дыры. С другой стороны, так называемый предел Оппенгеймера-Волкова является одновременно и нижним порогом веса черной дыры, которые были образованы в ходе звездной эволюции.

Из-за ряда неточностей сложно определить точное значение данного параметра. Однако предполагается, что оно находится в диапазоне от 2,5 до 3 масс Солнца. На данный момент, ученые утверждают, что самой тяжелой нейтронной звездой является J0348+0432. Ее вес составляет более двух масс Солнца. Вес самой легкой черный дыры составляет 5-10 солнечных масс. Астрофизики заявляют о том, что эти данные являются экспериментальными и касаются только на данный момент известных нейтронных звезд и черных дыр и предполагают возможность существования более массивных.

Черные дыры

Черная дыра - это один из самых удивительных феноменов, которые встречаются в космосе. Она представляет собой область пространства-времени, где гравитационное притяжение не позволяет никаким объектам выйти из нее. Покинуть ее не способны даже тела, которые могут двигаться со скоростью света (в том числе и кванты самого света). До 1967 года черные дыры назывались «застывшими звездами», «коллапсарами» и «сколлапсировавшими звездами».

У черной дыры есть противоположность. Она называется белой дырой. Как известно, из черной дыры невозможно выбраться. Что касается белых, то в них нельзя проникнуть.

Помимо гравитационного коллапса, причиной образования черной дыры может быть коллапс в центре галактики или протогалактического глаза. Также существует теория, что черные дыры появились в результате Большого Взрыва, как и наша планета. Ученые называют их первичными.

В нашей Галактике есть одна черная дыра, которая, по мнениям астрофизиков, образовалась из-за гравитационного коллапса сверхмассивных объектов. Ученые утверждают, что подобные дыры формируют ядра множества галактик.

Астрономы Соединенных Штатов Америки предполагают, что размер больших черных дыр может быть существенно недооценен. Их предположения основываются на том, что для достижения звездами той скорости, с какой они двигаются по галактике М87, находящейся в 50 миллионах световых лет от нашей планеты, масса черный дыры в центре галактики М87 должна быть не менее 6,5 миллиардов масс Солнца. На данный момент же принято считать, что вес самой большой черный дыры составляет 3 миллиарда солнечных масс, то есть более чем в два раза меньше.

Синтез черных дыр

Существует теория, что эти объекты могут появляться в результате ядерных реакций. Ученые дали им название квантовые черные дары. Их минимальный диаметр составляет 10 -18 м, а наименьшая масса - 10 -5 г.

Для синтеза микроскопических черных дыр был построен Большой адронный коллайдер. Предполагалось, что с его помощью удастся не только синтезировать черную дыру, но и смоделировать Большой Взрыв, что позволило бы воссоздать процесс образования множества космических объектов, в том числе и планеты Земля. Однако эксперимент провалился, поскольку энергии для создания черных дыр не хватило.

Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M . В звездах с остаточной массой M > 1.4M , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой. Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы “вдавливаются” друг в друга и в результате реакции

после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 10 14 - 10 15 г/см 3 . Характерный размер нейтронной звезды 10 - 15 км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M .
Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее падает с 10 11 до 10 9 K за время ~ 100 с. Дальше темп остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 K происходит за 100 лет и до 10 6 K - за миллион лет. Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и низкой температуры.
В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического электромагнит-ного излучения - пульсары. Периоды повторения импульсов боль-шинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10 -2 до 4.3 с. Согласно современным представлениям, пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1 - 3M и диаметр 10 - 20 км. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения. Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 10 12 Гс.
Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Когда луч пересекает Землю регистрируется импульс. Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан на рис. 39.

Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды. Форма импульса может быть очень сложной, что обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для каждого пульсара. Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.
В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера. Когда пульсар приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в состав двойных звезд. Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16, входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7 часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.
Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнару-жен. Нейтронная звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного рентгеновского излучения.
Структура нейтронной звезды массой 1.4M и радиусом 16 км показана на рис. 40.

I - тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. В областях II и III ядра расположены в виде объемно-центрированной кубической решетки. Область IV состоит в основном из нейтронов. В области V вещество может состоять из пионов и гиперонов, образуя адронную сердцевину нейтронной звезды. Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются.
Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах. Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду. В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому “тихому” коллапсу.
Компактные двойные звезды могут проявляться и как источники рентгеновского излучения. Оно также возникает за счет аккреции вещества, падающего с “нормальной” звезды на более компактную. При аккреции вещества на нейтронную звезду с B > 10 10 Гс вещество падает в район магнитных полюсов. Рентгеновское излучение модулируется её вращением вокруг оси. Такие источники называют рентгеновскими пульсарами.
Существуют рентгеновские источники (называемые барстерами), в которых периодически с интервалом от нескольких часов до суток происходят всплески излучения. Характерное время нарастания всплеска - 1 сек. Длительность всплеска от 3 до 10 сек. Интенсивность в момент всплеска может на 2 - 3 порядка превосходить светимость в спокойном состоянии. В настоящее время известно несколько сотен таких источников. Считается, что всплески излучения происходят в результате термоядерных взрывов вещества, накопившегося на поверхности нейтронной звезды в результате аккреции.
Хорошо известно, что на малых расстояниях между нуклонами (< 0.3·10 -13 см) ядерные силы притяжения сменяются силами оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях сжимающей силе тяготения увеличивается. Если плотность вещества в центре нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρ яд и достигает 10 15 г/см 3 , то в центре звезды наряду с нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более массивные частицы. Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется много нерешенных проблем. Расчеты показывают, что при плотностях вещества ρ > ρ яд возможны такие процессы, как появление пионного конденсата, переход нейтронизованного вещества в твердое кристаллическое состояние, образование гиперонной и кварк-глюонной плазмы. Возможно образование сверхтекучего и сверхпроводящего состояний нейтронного вещества.
В соответствии с современными представлениями о поведении вещества при плотностях в 10 2 - 10 3 раз, превышающих ядерную (а именно о таких плотностях идет речь, когда обсуждается внутреннее строение нейтронной звезды), внутри звезды образуются атомные ядра вблизи границы устойчивости. Более глубокое понимание может быть достигнуто в результате исследования состояния вещества в зависимости от плотности, температуры, устойчивости ядерной материи при экзотических отношениях числа протонов к числу нейтронов в ядре n p /n n , учете слабых процессов с участием нейтрино. В настоящее время практически единственной возможностью исследования вещества при плотностях больших ядерной являются ядерные реакции между тяжелыми ионами. Однако, экспериментальные данные по столкновению тяжелых ионов дают пока недостаточно информации, т. к. достижимые значения n p /n n как для ядра - мишени, так и для налетающего ускоренного ядра невелики (~ 1 - 0.7).
Точные измерения периодов радиопульсаров показали, что скорость вращения нейтронной звезды постепенно замедляется. Это связано с переходом кинетической энергии вращения звезды в энергию излучения пульсара и с эмиссией нейтрино. Небольшие скачкообразные изменения периодов радиопульсаров объясняются накоплением напряжений в поверхностном слое нейтронной звезды, сопровождающимся “растрескиванием” и “разломами”, что и приводит к изменению скорости вращения звезды. В наблюдаемых временных характеристиках радиопульсаров содержится информация о свойствах “коры” нейтронной звезды, физических условиях внутри неё и о сверхтекучести нейтронного вещества. В последнее время обнаружено значительное число ра-диопульсаров с периодами меньшими 10 мс. Это требует уточнения представлений о процессах, происходящих в нейтронных звездах.
Другой проблемой является исследование нейтринных процессов в нейтронных звездах. Эмиссия нейтрино является одним из механизмов потери энергии нейтронной звездой в течении 10 5 - 10 6 лет после её образования.

Главная » Для начинающих » Нейтронная звезда и чёрная дыра. Гравитационный коллапс