ЧЁРНЫЕ ДЫ́РЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.