Ученые давно определили местоположения черных дыр и природу их происхождения, но полученные знания заставляют задаваться все новыми и новыми вопросами: что было первично, черная дыра или галактика. Рассказывает заведующий отделом звездной астрофизики ГАИШ Анатолий Черепащук.
Анатолий Черепащук:
Наша эпоха очень интересна тем, что астрономы открывают принципиально новые формы материи. Вот выяснилось, что вот те атомы и молекулы, из которых мы с вами состоим – они составляют по относительному вкладу в общий состав вселенной – всего 4%. А 96% - это новые формы материи. Это так называемые «темные материи», «темная энергия», и в том числе «черные дыры», «кротовые норы». И вот «черные дыры» - очень экзотические объекты, свойство которых просто парадоксально. «Черная дыра» - это объект, у которого вторая космическая скорость равна скорости света. 300 000 км в секунду. Самая быстрая скорость распространения взаимодействия во вселенной. Значит, как образовать «черную дыру»? вот Земля, возьмем пресс …, начнем ее сжимать. Сохраняя массу. Если мы уменьшим радиус Земли в 4 раза, то вторая космическая скорость – скорость убегания до бесконечности с Земли – будет уже не 11,2 км в секунду, а 22,4 км в секунду, удвоится. Если мы еще больше будем сжимать, сожмем Землю до 99 мм в диаметре – то получится скорость вторая космическая скорость уже 300 000 км в секунду. И значит, даже квант света не сможет выйти на бесконечность.
Поэтому «черные дыры» называются «черными». Он ничего не излучают, они свое как бы излучение забирают внутри себя. В центре «черной дыры» находится сингулярность. Квантовая сингулярность. Вещество, которое падает. Вот когда мы Землю сжали до 9 мм, дальше уже пресс не понадобиться, можно пресс убрать, Земля начнется сама сжиматься. В собственной системе отсчета, под действием тяготения. И все вещество сожмется до размера порядка 10 в минус 33-ей сантиметра. Это так называемая «квантовая сингулярность» - квантовый размер. Вот, будет огромная плотность, при которой уже гравитация классическая не работает. Там законы квантовой гравитации, законы новой физики. Но с точки зрения внешнего наблюдателя мы увидели как все вещество – оно упадет внутрь. Но останется некоторая поверхность, поверхность в пространстве времени. Ее называют световой поверхностью, которая будет обладать такой особенностью, что, во-первых, с этой поверхности скорость убегания равна скорости света – раз. И, во-вторых, ход времени на этой поверхности в точки зрения далекого наблюдателя останавливается. Эта поверхность называется «Горизонтом событий». Почему ход времени останавливается? Из-за очень сильного тяготения. В сильном поле гравитации часы идут медленнее, это экспериментально проверено. Если вы возьмете часы у подножья горы, атомные стандартные часы, сейчас очень точные стандарты есть, часы, которые дут у подножья горы – идут медленнее, потому что они ближе к центру Земли, значит, гравитационное поле сильнее. Чем часы, которые стоят на вершине горы – они дальше от центра Земли, там гравитационное поле слабее. Но в «черной дыре» гравитационное поле такое сильное, что это эффект 100-процентный, там время просто останавливается. Поэтому если вы космический корабль пошлете к «черной дыре», то по мере приближения к «черной дыре» - он остановится. Не из-за того, что у него двигатель – не хватает мощности.
А из-за того, что время остановилось, и все процессы бесконечно растянулись во времени. То есть космический корабль горизонт событий никогда не пересечет. Это с нашей точки зрения, с точки зрения внешнего наблюдателя. А с точки зрения самого космонавта, который сидит в корабле, он будет падать в эту «квантовую сингулярность». И будет разорван приливными силами – погибнет. Значит, как же наблюдать «черные дыры»? Оказывается, если «черная дыра» входит в двойную систему, например, звезд типа наше Солнце и «черная дыра» – у «черной дыры» есть внешнее гравитационное поле. В этом гравитационном поле звезда оптическая, типа нашего Солнца – она будет вращаться, по скорости ее движения мы можем оценить массу объекта. А масса объекта важна вот для чего. Если масса гидра звезды в конце эволюции больше 3 масс Солнца, то гравитационное поле, уже как тот самый пресс - его достаточно, чтобы самим собственным гравитационным полем вещество сжать до такой плотности, что звезда начнет дальше сама коллапсировать и превратиться в «квантовую сингулярность» с горизонтом событий. Если меньше 3 масс Солнца, то образуется или Белый Карпик, или нейтронная звезда. Плотность Белого карлика – тонна в кубическом сантиметре, то есть наперсток вещества Белого Карлика весит тонну.
А плотность нейтронной звезды, то есть наперсток вещества нейтронной звезды весит миллиард тонн. А «черная дыра» уже, так сказать – это вот поверхность в пространстве времени, горизонт событий. Там вообще никакого вещества нет. «Черная дыра» образована из воды, из железа, из золота – они одинаковы. У них есть только масса, угловой момент вращения и электрический заряд – три характеристики характеризуют «черную дыру». Независимо от того, какой сорт вещества организовал эту «черную дыру», из чего она образовалась. В центре почти каждой Галактики имеет место, так называемый, «сверхмассивная черная дыра» массой от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс. В центре нашей Галактики имеется «сверхмассивная черная дыра», массой 4 миллиона солнечных масс. Ее масса определена тоже по движению окрестных звезд. И сейчас, например, открыта «черная дыра» с массой 23 миллиарда солнечных масс. У Квазара, у ядра Галактики, с красным смещением около 4-х. а это означает, что собственный возраст этого квазара порядка миллиарда лет.
Весь возраст вселенной 14 миллиардов лет. И за миллиард лет успела сформироваться «черная дыра» с массой 23 миллиарда солнечных масс, вот как это можно себе представить? Предполагалось, что «черная дыра» сначала образуется в виде затравки, какой-то там тысячу масс Солнца, а потом за счет падения вещества на протяжении там многих миллиардов лет. Масса ее возрастает, и мы вот сейчас видим в нашей Галактике 4 миллиона солнечных масс, в других Галактиках 10 миллиардов солнечных масс и так далее. Но мы-то видим очень массивные «черные дыры» массами миллиарды солнечных масс. У которых собственный возраст меньше миллиарда лет. Значит, за очень короткий период сформировалась «черная дыра» в центре Галактики. И сейчас ученые обсуждают уже вопрос – что первично – то ли образование «черных дыр» первично, а потом на них уже натягивается Галактика, как бы образуется из звезд там, газа, пыли. То ли сначала Галактика образовалась, а потом у нее в центре образовалась «черная дыра».