ЧЁРНЫЕ ДЫ́РЫ

ЧЁРНЫЕ ДЫ́РЫ, об­щее на­зва­ние скол­лап­си­ро­вав­ших объ­ек­тов, не имею­щих ма­те­ри­аль­ной по­верх­но­сти; их гра­ни­цей яв­ля­ет­ся го­ри­зонт со­бы­тий. В рам­ках нью­то­нов­ской фи­зи­ки ран­ние идеи о су­ще­ст­во­ва­нии столь мас­сив­ных или столь ком­пакт­ных объ­ек­тов, что ни­ка­кие те­ла и да­же час­ти­цы све­та под дей­ст­ви­ем гра­ви­та­ции не мо­гут уй­ти да­ле­ко от их по­верх­но­сти, от­но­сят­ся ещё к 18 в. [Дж. Ми­челл (Англия), П. С. Ла­п­лас]. Совр. взгляд на при­ро­ду та­ких объ­ек­тов воз­ник с соз­да­ни­ем об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти (ОТО). Пер­вые ра­бо­ты по это­му во­про­су при­над­ле­жат К. Шварц­шиль­ду. Всплеск ин­те­ре­са к раз­ви­тию фи­зи­ки Ч. д. (кон. 1950-х – нач. 1960-х гг.) был вы­зван ра­бо­та­ми амер. учё­но­го Д. Фин­кель­штей­на. Тер­мин «Ч. д.», по всей ви­ди­мо­сти, впер­вые ис­поль­зо­ва­ла амер. жур­на­ли­ст­ка Э. Эвинг в 1964; че­рез неск. лет это сло­во­со­четание ста­ло по­пу­ляр­ным бла­го­да­ря амер. фи­зи­ку Дж. Уи­ле­ру. В нач. 1970-х гг. тер­мин стал об­ще­упот­ре­би­тель­ным.

Пря­мо­го на­блю­дат. под­твер­жде­ния су­ще­ст­во­ва­ния Ч. д. нет, од­на­ко су­ще­ст­ву­ет ряд ас­тро­но­мич. объ­ек­тов, свой­ст­ва ко­то­рых наи­бо­лее точ­но опи­сы­ва­ют­ся в рам­ках этой ги­по­те­зы. Кро­ме то­го, осн. тео­рии гра­ви­та­ции пред­ска­зы­ва­ют не­из­беж­ность фор­ми­ро­ва­ния Ч. д. при оп­ре­де­лён­ных реа­ли­стич­ных ус­ло­ви­ях. В раз­ных тео­ри­ях гра­ви­та­ции свой­ст­ва Ч. д. мо­гут раз­ли­чать­ся. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ным яв­ля­ет­ся опи­са­ние Ч. д. в рам­ках ОТО.

Со­глас­но ОТО, внут­ри Ч. д. су­ще­ст­ву­ет т. н. син­гу­ляр­ность, в ко­то­рой кри­виз­на про­стран­ст­ва-вре­ме­ни и плот­ность ма­те­рии фор­маль­но дос­ти­га­ют бес­ко­неч­но­го зна­че­ния. В слу­чае нев­ра­щаю­щей­ся Ч. д. син­гу­ляр­ность яв­ля­ет­ся точ­кой в цен­тре Ч. д.; всё по­пав­шее в Ч. д. ве­ще­ст­во ока­зы­ва­ет­ся в син­гу­ляр­но­сти. В слу­чае вра­щаю­щих­ся Ч. д. син­гу­ляр­ность име­ет струк­ту­ру бес­ко­неч­но тон­ко­го коль­ца, и при не­ко­то­рых ус­ло­ви­ях час­ти­цы мо­гут из­бе­жать по­па­да­ния в неё. В рам­ках ОТО Ч. д. опи­сы­ва­ет­ся 3 па­ра­мет­ра­ми: мас­сой, мо­мен­том им­пуль­са и элек­трич. за­ря­дом. За­ря­дом Ч. д., как пра­ви­ло, мож­но пре­неб­речь, по­сколь­ку да­же в слу­чае воз­ник­но­ве­ния за­ря­жен­ной Ч. д. при­ток час­тиц с за­рядом про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка бы­ст­ро сде­ла­ет мак­ро­ско­пич. объ­ект элек­три­че­ски ней­траль­ным. Раз­мер Ч. д. пря­мо про­пор­цио­на­лен её мас­се. При мас­се, рав­ной 10 мас­сам Солн­ца, ра­ди­ус не­вра­щаю­щей­ся не­за­ря­жен­ной Ч. д. со­став­ля­ет ок. 30 км.

Осн. ме­ха­низ­мы фор­ми­ро­ва­ния Ч. д. в при­ро­де – ас­т­ро­фи­зи­че­ские. Во-пер­вых, это гра­ви­та­ци­он­ный кол­лапс ядер мас­сив­ных звёзд на ко­неч­ной ста­дии звёзд­ной эво­лю­ции. В ре­зуль­та­те фор­ми­ру­ют­ся Ч. д. с мас­са­ми от не­сколь­ких еди­ниц до не­сколь­ких де­сят­ков масс Солн­ца. Во-вто­рых, это кол­лапс об­ла­ков га­за на ран­ней ста­дии фор­ми­ро­ва­ния га­лак­тик, при­во­дя­щий к по­яв­ле­нию Ч. д. с мас­са­ми свы­ше не­сколь­ких ты­сяч масс Солн­ца. В даль­ней­шем они в осн. ста­но­вят­ся сверх­мас­сив­ны­ми Ч. д. в яд­рах га­лак­тик. На­ко­нец, су­ще­ст­ву­ет ги­по­те­тич. ме­ха­низм фор­ми­ро­ва­ния т. н. пер­вич­ных Ч. д. в ран­ней Все­лен­ной за счёт флук­туа­ций плот­но­сти.

На­блю­де­ния Ч. д. свя­за­ны с про­яв­ле­ния­ми ма­те­рии вне этих объ­ек­тов. В пер­вую оче­редь, это ак­кре­ция ве­ще­ст­ва на Ч. д. Кро­ме то­го, есть кан­ди­да­ты в со­бы­тия гра­ви­та­ци­он­но­го мик­ро­лин­зи­ро­ва­ния на оди­ноч­ных Ч. д. звёзд­ных масс. Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ет ре­ги­ст­ра­ция гра­ви­та­ци­он­но-вол­но­вых вспле­сков при слия­ни­ях Ч. д. В этом слу­чае на­блю­да­ют­ся гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, воз­ни­каю­щие при силь­ных воз­му­ще­ни­ях мет­ри­ки.

В 1974 С. Хо­кинг пред­по­ло­жил, что Ч. д., с учё­том кван­то­вых эф­фек­тов, долж­на не­пре­рыв­но ис­пус­кать час­ти­цы (т. н. из­лу­че­ние Хо­кин­га) и за счёт это­го те­рять свою энер­гию и мас­су («ис­па­ре­ние» Ч. д.). Пря­мым до­ка­за­тель­ст­вом су­ще­ст­во­ва­ния Ч. д. ста­ло бы об­на­ру­же­ние фи­наль­ных (взрыв­ных) ста­дий хо­кин­гов­ско­го ис­па­ре­ния этих объ­ек­тов.

На 2017 су­ще­ст­ву­ет неск. де­сят­ков ак­кре­ци­рую­щих ком­пакт­ных объ­ек­тов в тес­ных двой­ных сис­те­мах, на­блю­дае­мых в рент­ге­нов­ском диа­па­зо­не, ко­то­рые яв­ля­ют­ся на­дёж­ны­ми кан­ди­да­та­ми в Ч. д. Это свя­за­но в пер­вую оче­редь с из­ме­ре­ния­ми их масс, пре­вос­хо­дя­щих  пре­дел ус­той­чи­во­сти для ней­трон­ных звёзд. Кро­ме то­го, спек­траль­ные и др. ха­рак­те­ри­сти­ки этих ис­точ­ни­ков наи­луч­шим об­ра­зом опи­сы­ва­ют­ся в мо­де­ли Ч. д. Из­ме­рен­ные мас­сы Ч. д. звёзд­ных масс в осн. за­клю­че­ны в пре­де­лах от 5 до 15 масс Солн­ца.

Су­ще­ст­ву­ет боль­шое ко­ли­че­ст­во кан­ди­да­тов в сверх­мас­сив­ные Ч. д. Во-пер­вых, фе­но­мен ак­тив­ных ядер га­лак­тик (ква­за­ры и др.) по­лу­ча­ет хо­ро­шую ин­тер­пре­та­цию лишь в мо­де­ли с Ч. д. По­это­му фор­маль­но мож­но счи­тать, что в ка­ж­дой га­лак­ти­ке с ак­тив­ным ядром на­хо­дит­ся сверх­мас­сив­ная Ч. д. Во-вто­рых, для не­ко­то­рых центр. объ­ек­тов га­лак­тик есть на­дёж­ные из­ме­ре­ния масс и ог­ра­ни­че­ния на раз­ме­ры. Вме­сте эти ха­рак­те­ри­сти­ки чрез­вы­чай­но труд­но про­ин­тер­пре­ти­ро­вать, не при­бе­гая к ги­по­те­зе Ч. д. Из­ме­ре­ния масс сверх­мас­сив­ных Ч. д. да­ют ве­ли­чи­ны от не­сколь­ких ты­сяч (как пра­ви­ло, в кар­ли­ко­вых га­лак­ти­ках) до при­мер­но 20 млрд. масс Солн­ца.

Ре­ги­ст­ра­ция в сент. 2015 де­тек­то­ра­ми LIGO гра­ви­та­ци­он­но-вол­но­во­го сиг­на­ла да­ла но­вый ар­гу­мент в поль­зу су­ще­ст­во­ва­ния Ч. д., по­сколь­ку фор­ма за­ре­ги­ст­ри­ров. им­пуль­са со­от­вет­ст­ву­ет ожи­дае­мо­му от слия­ния двух Ч. д. с мас­са­ми в неск. де­сят­ков масс Солн­ца.