Черная дыраОбнаружение нейтронных звезд спустя 30 лет после того, как теоретически была предсказана возможность цх существования, является триумфом теории и аргумен­том, подтверждающим тезис Гегеля, что все разумное существует.

Несколько лет назад была предсказана возможность существования еще более необычайных для нашего по­нимания объектов, получивших название «черных дыр». Чтобы составить представление о природе и возможном процессе формирования этих объектов, рассмотрим для примера звезду, масса которой m в пять раз превосходит массу Солнца, а радиус R равен трем радиусам Солнца. Примерно такими характеристиками обладают звезды спектрального класса В8.

Критическая скорость на поверхности сферического тела определяется формулой

υ=√(2Gm/R)              (1)

и для рассмотренной звезды она оказывается равной 800 км/с, т. е. в 70 раз больше, чем на поверхности Земли.

Ускорение силы тяжести на поверхности звезды

a=(Gm)/R2

оказывается равным 1,7 км/с2 и в 170 раз превосходит гравитационное ускорение на поверхности Земли.

Звезда находится в равновесном состоянии, так как гравитационная сила, стремящаяся, ее сжать, уравнове­шивается световым и газовым давлением. Если бы плот­ность звезды была всюду одинакова, то давление в ее центре, вызываемое гравитационными силами, которым противостоят силы газового и светового давления, рав­нялось бы

p=(3m2)/(8πGR4)           (2)

Для рассмотренной звезды это давление составило бы огромную величину — около полутора миллиардов тонн на квадратный сантиметр. На самом деле плотность от  поверхности к центру возрастает, и давление в центре звезды всегда значительно больше величины в правой части формулы выше.

Страшная звездаСветовое давление в недрах звезды поддерживается благодаря термоядерной реакции превращения водорода в гелий, сопровождающейся выделением энергии, перехо­дящей в энергию излучения, которая затем медленно просачивается сквозь тело звезды и уходит с ее поверх­ности в мировое пространство. Однако, наступает момент, когда весь водород в центральных областях звезды, где температура достаточно высока и составляет несколько миллионов градусов, оказывается исчерпанным. Реакция приостанавливается. Так как энергия через излучение продолжает расходоваться, температура внутренних об­ластей звезды понижается, и ослабленное световое давление начинает уступать гравитационному давлению. Внутренние области звезды сжимаются. При сжатии потенциальная энергия превращается в тепловую, температура центральных областей снова повышается, но тепловая энергия расходуется на излучение, и потому сжатие продолжается до тех пор, пока температура в центральной области звезды не достигнет нескольких сотен миллионов градусов. При этой температуре начи­нает действовать термоядерная реакция, при которой из трех атомов гелия образуется один атом углерода. После исчерпания гелия происходит новый процесс сжатия звезды, аналогичный тому, который последовал за выго­ранием водорода, и вступают в действие новые различ­ные термоядерные реакции, последовательность которых может длиться до образования железа. И в течение всех этих процессов звезда продолжает излучать энергию и сжиматься.

На самом деле теоретические расчеты показывают, что сжимается сначала лишь внутренняя область звезды, а ее атмосфера, оболочка, после выгорания водорода даже расширяется и охлаждается, так что звезда превращается в красный гигант. Однако эта стадия временная, в даль­нейшем сжатие берет верх. При этом у звезд определен­ных классов, в результате накопления на некоторой глубине энергии, сбрасывается оболочка, происходит яв­ление вспышки новых и сверхновых звезд.

Теоретическое исследование процессов показывает, что окончательная судьба звезд полностью зависит от величины их массы. Если масса звезды меньше, чем 1,2 массы Солнца, то она завершает свою эволюцию как белый карлик. При массах, заключенных между 1,2 и 3 массами Солнца, звезда, превращается в нейтронную звезду. При этом на конечной стадии ей предшествует мощный сброс оболочки — вспышка сверхновой.

Звезда и сильная гравитацияЕсли же масса звезды превышает три солнечные массы, то, оказывается, в соответствии с формулой (2), при уменьшении радиуса гравитационное давление в центральной области звезды становится настолько сокру­шающе большим, что давление газа и световое давление не могут ему противодействовать в принципе. Перестает действовать закон, согласно которому увеличение сжатия сопровождается соответствующим увеличением его проти­водействия. Происходит так называемый коллапс, звезда оказывается раздавленной своей тяжестью. Так как радиус звезды при сжатии становится очень малым, фор­мула (2) показывает, что ускорения при коллапсе — падении всей материи звезды в ее центр — чрезвычайно велики и, следовательно, очень велика становится и ско­рость падения.

Наконец, формула (1) показывает, что когда радиус звезды становится достаточно малым, критическая ско­рость на поверхности звезды станет равной скорости света. Подставим в равенство (1) вместо υ значение скорости света и решим его относительно R:

Rg=(2Gm)/c2             (3)

Величину Rg называют гравитационным радиусом звезды. Если радиус звезды стал меньше этой величины, то критическая скорость на ее поверхности становится больше скорости света. А так как в природе не может быть скорости, большей скорости света, то ничто не может выходить из этой звезды и удаляться, даже ее излучение. При этом звезда обладает сильным гравита­ционным полем, способным втягивать в себя окружаю­щую ее материю. Звезда всё втягивает, всё поглощает, но ничего не выпускает, ничто не способно из нее вый­ти, даже излучение. Название, придуманное для таких звезд — «черные дыры», — нужно признать весьма удачным.

По формуле (3) находим, что гравитационный ра­диус рассмотренной звезды равен 30 км. Пять масс Солнца в шарике радиусом в 30 км! По этой формуле можно подсчитать, что если бы каким-нибудь образом Земля превратилась в «черную дыру», то ее гравита­ционный радиус равнялся бы всего 0,89 см. Вся Земля в шарике размером с вишенку!

Можно ли надеяться обнаружить «черные дыры», если они в действительности существуют? Казалось бы, нет. «Черные дыры» не излучают. Размеры их очень малы, и потому они не могут наблюдаться как темные объекты, заслоняющие свет звезд.

Но возможны косвенные методы обнаружения. При втягивании «черной дырой» из пространства диффузной материи движение последней будет чрезвычайно сильно ускоряться и, в общем случае, носить сложный характер. В окрестности «черной дыры» столкновения диффузных масс должны сопровождаться очень сильным разогревом и излучением, характерная особенность которого состоит в том, что значительная часть энергии будет коротко­волновой — в ультрафиолетовом и рентгеновском диапа­зонах. Это излучение, поскольку оно исходит не из самой «черной дыры», а из его окрестности, способно достигнуть наблюдателя и явиться признаком «черной дыры».
 

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.