Существование черных и белых дыр стало следствием теории тяготения Эйнштейна. Доказательство существования этих астрофизических объектов является проверкой истинности нашего понимания свойств пространства и времени в экстремальных гравитационных полях.
Теоретические исследования черных и белых дыр особенно активно осуществлялись с начала 70 годов.
В настоящее время имеется относительно полное представление о свойствах дыр, их возможных астрофизических проявлений и особенностей течения разных физических процессов в них.
Была выявлена связь теории черных и белых дыр с термодинамикой, теорией информации, квантовой теорией.
Черная дыра
Черной дырой считают пространственно-временную область, обладающую настолько сильным гравитационным полем, что даже волны света не способны оставить ее и уйти в бесконечность.
Черная дыра возникает при сжимании тела, имеющего массу $M$, так, что его размеры становятся меньше величины, равной:
$r_g=\frac{2GM}{c^2}(1),$
где $G$ - гравитационная постоянная; $c$ - скорость света. Параметр $r_g$ называют гравитационным радиусом.
Вторая космическая скорость тела, которое могло бы улететь с границы черной дыры должна быть равна скорости света. Принимая во внимание тот факт, что скорость света в вакууме является максимальной скоростью распространения сигналов в физике, то легко понять, что из внутренности черной дыры сигнал выйти не может.
В теории тяготения Эйнштейна данный вывод является абсолютным, так как гравитационное взаимодействие считается универсальным. Роль гравитационного заряда исполняет масса, величина которой пропорциональна полной энергии системы. Следовательно, все объекты, наделенные энергией принимают участие в гравитационном взаимодействии.
Для описания черных дыр используют общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна.
Поверхность черной дыры можно считать своеобразной мембраной, поскольку из недр этой дыры сигналы выходить не могут, при этом физические тела и излучение внутрь нее падать способны. Границу черной дыры (она является световой поверхностью) в пространстве и времени называют горизонтом событий.
Название «черная дыра» появилось в 1968 году и связывают его с именем Уилера. Однако вопрос о существовании объектов с подобными свойствами дискутировался уже в XVIII веке. В рамках ОТО с данной проблемой столкнулись после получение Шварцшильдом (1916 год) первого точного решения уравнения Эйнштейна в пустоте.
Данное решение кроме сингулярности в центре симметрии (при $r=0$), имело дополнительным свойством при $r=r_g$. Ушло более тридцати лет для того, чтобы при анализе особенностей решения Шварцшильда появилось понимание структуры пространства – времени в сильном гравитационном поле. Картину гравитационного коллапса звезды большой массы, который бы приводил к возникновению черной дыры, впервые описал Оппенгеймер и Снайдер в 1939 году.
Предположение о существовании черных дыр можно получить из понимания эволюции звезды. Когда звезды с большой массой умирают, они сжимаются (коллапсируют), происходит «взрыв» во внутрь, возникает область с большой гравитацией.
Было установлено, что черная дыра:
- имеет массу;
- могут иметь заряд;
- момент количества движения.
Структура черной дыры очень сложная. Для полного и наглядного представления геометрии пространства – времени черной дыры были созданы диаграммы Крускала – Секереша и Пеноуза.
Для черной дыры Шварцшильда эта диаграмма изображена на рис.1. Она указывает на то, что все вещество Вселенной попадает через горизонт событий внутрь черной дыры, сталкивается с сингулярностью, и разрушаются.
Рисунок 1. Черная дыра. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Белые дыры
Белой дырой называют расширяющуюся пространственно-временную область, в которую не может попасть какой- либо сигнал или частица из пространственной бесконечности (из области с расстояния большего $r_g$).
Полагают, что белые дыры не могут возникать во Вселенной и являться коллапсом какого-либо объекта. Однако они могут существовать в расширяющейся Вселенной с момента ее возникновения (начала расширения).
Допустим, что около сингулярности в прошлом уже имелось вещество и излучение. В этом случае со временем данное вещество и излучение будут выходить из – за горизонта событий и переходить во Вселенную. Такой эффект указывает на наличие белой дыры (рис.2).
Рисунок 2. Белая дыра. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Большая часть ученых настоящего времени полагает, что наша Вселенная возникла в результате большого взрыва первичного состояния имевшего бесконечную плотность. Можно положить, что некоторые части пространства не испытывали расширения при взрыве Вселенной, то есть в результате каких-то причин малая частичка сингулярности сумела сохраниться и не расширялась долгое время. В тот момент, когда данный объект первичной сингулярности начал процесс расширения, он будет проявлять свойства белой дыры. Данный элемент - сингулярность прошлого, из этого прошлого к нам во Вселенную попали вещество и излучение. Идея о том, что крошечные участи сингулярности прошлого смогли сохраниться долгое, время привели русского ученого Д.И. Новикова к идее существования белых дыр Шварцшильда.
Проблему белых дыр изучал Эрдли (США) в 1970 годах. Ученый предположил, что сингулярности прошлого должны окружать горизонт событий в прошлом.
В черной дыре горизонт событий отвечает остановке времени для стороннего наблюдателя. Для этого наблюдателя световая волна, приходящая из окрестности горизонта событий претерпевает сильное красное смещение (волна тратит много энергии преодолевая сильное поле гравитации). Тогда как свет, падающий внутрь черной дыры, испытывает сильное фиолетовое смещение.
При Большом взрыве Вселенная имела очень высокую температуру. Если от Большого взрыва остались «спящие» сингулярности, то вокруг них должно скопиться огромное количество очень мощного излучения. При этом свет собирается около горизонта событий прошлого, образуется фиолетовый слой. Спустя малый отрезок времени в этом фиолетовом слое скапливается так много энергии света, что энергия сама сильно искривляет пространство – время.
По расчетам Эрдли свет, который аккумулируется около спящих сингулярностей, так сильно искривляет пространство – время, что вокруг потенциальной белой дыры появляется черная дыра. При этом возникает горизонт событий в будущем и сингулярность.
Ученые полагают, что белые дыры способны возникать при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, которая находится в противоположном направлении стрелы времени.
Совокупная пространственно-временная карта имеет как черную, так и белую дыру. Отдельно черной и отдельно белой дыры не существует в принципе.
В настоящее время белые дыры не обнаружены и нет методов их поиска.
Решение Шварцшильда содержит черную и белую дыры, но считают, что белых дыр Шварцшильда не существует.
Полное решения Керра также показывает наличие обеих типов дыр. При этом считается, что если в одной Вселенной возникает черная дыра, то в другой появляется белая дыра.
Некоторые ученые полагают, что белые дыры распадаются сразу после возникновения. Есть теории в соответствии с которыми черные дыры с течением времени становятся белыми.
В 2006 году ученые Израиля А. Реттер и Ш. Хеллер обнаружив аномальный $\gamma$ - всплеск $GRB 06014$, предположили, что он был белой дырой.
