Словосочетание «черная дыра» появилось в нашем языке около 55 лет тому назад. Идею о черных дырах в квазарах первым высказал Я.Б. Зельдович в 1964 году.
Концепция черной дыры возникла из общей теории относительности Эйнштейна. В соответствии с данной теорией, при сжатии вещества его гравитация может увеличиться столь сильно, что возникнет область пространства, которая не будет ничего выпускать наружу. Границу данной области называют горизонтом событий черной дыры. Чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие.
Варианты путей формирования черной дыры
Возникнуть черная дыра в центре сверхплотной системы звезд может несколькими путями:
- В результате коллапса сверхмассивной звезды.
- Из газа, который накапливается в системе звезд на этапе контактных столкновений. При этом возникают не звезды, а массивное газовое облако высокой плотности в центре системы. Это газовое облако постепенно уменьшает свою температуру и испытывает общее гравитационное сжатие до состояния черной дыры. При этом пропускаются промежуточные квазисостояния, например, равновесное состояние вещества в звезде с большой массой.
- Сжатие центральной области сверхплотной звездной системы может вести к возникновению черной дыры.
С. Хокинг исследовал механизм создания черной дыры в ранней Вселенной. Так называемые, первичные черны дыры. В первые мгновения Большого взрыва плотность вещества во Вселенной была примерно равна ядерному уровню. При плотности вещества, равной плотности Планка ($10^{97} \frac{кг}{м^3}$), сила гравитации настолько большая, что квантовые флуктуации способны порвать пространство –время. Данной плотности вещества хватает для создания черной дыры, имеющей диаметр $10^{-35}$ м с массой, равной $10^{-8}$ кг. Такая черная дыра могла бы возникнуть в соответствии с теорией гравитации. Она меньше размерами, чем элементарная частица, но большей массы.
При уменьшении плотности материи должны возникать черные дыры большей массы. Эти объекты, появившиеся тогда, когда плотность вещества космоса была равна ядерной, имели бы массы как у Солнца.
Гравитационный радиус
Черная дыра появляется тогда, когда в процессе сжатия радиус тела, имеющего массу $M$, становится меньшим величины, равной:
$r_g=2\frac{GM}{c^2} (1)$,
где $c$ - скорость света; $G$ - гравитационная постоянная.
Величина $r_g$ называется гравитационным радиусом.
Сила тяготения около гравитационного радиуса настолько большая, что свет не способен ее преодолеть. Световой луч, который испускает тело радиус которого меньше его $r_g$, не может выйти наружу.
Еще в XVIII веке П. Лаплас писал об эффекте «пленения» света полем гравитации. Основываясь на теории гравитации Ньютона ученый полагал, что тяготение звезды, имеющей плотность такую же как у Земли и диаметр больший диаметра Солнца в 250 раз, не будет выпускать свет этой звезды. Скорость движения тела, которое хотело бы оторваться от данной звезды, должна быть равна второй космической скорости:
$v=\sqrt {\frac{2GM}{r}}(2)$
и она сравнивается со скоростью света. Скорость отрыва равна скорости света при $r=r_g$.
Нейтронные звезды, звезды с наибольшей плотностью из наблюдаемых небесных тел, близки по состоянию к состоянию черной дыры.
Черные дыры могут иметь разные размеры, при этом:
- микроскопические черные дыры разрушаются из-за квантовых эффектов;
- мелкие черные дыры взрываются практически сразу после появления;
- малые черные дыры возможно остались после ранних стадий Большого взрыва.
Аккреция
Черные дыры способны захватывать световые фотоны и частицы извне. Поскольку черная дыра обладает сильным гравитационным полем, то захватываемые ей частицы разгоняются до очень больших скоростей. Эти частицы падают на черную дыру, двигаясь к поверхности гравитационного радиуса со скоростью, близкой к скорости света. Так, частицы аккрецируемые черными дырами, имеют большие кинетические энергии.
Аккрецией называют процедуру увеличения массы небесного тела в результате гравитационного притяжения частиц материи на это тело из пространства вокруг него.
Испарение черных дыр
Понимание того, что черные дыры могут иметь малые размеры, подтолкнуло Хокинга к мысли, что они способны не только поглощать частицы, но и исторгать их. Ученый показал, что черные дыры излучают теплоту. Если черная дыра обладает массой $10^{12}$ кг, то ее температура 1012 К. Такая дыра может испускать не только фотоны, но и частицы, имеющие массу, например, электроны и позитроны.
Излучение является энергозатратным процессом, следовательно, масса дыры будет уменьшаться. Получается, что черная дыра не является стабильной, так как она:
- излучает и сжимается;
- при сжатии нагревается и ее в ее излучение начинают входить все более энергичные частицы, при этом увеличивается скорость ее уменьшения.
Если дыра претерпевает сжатие примерно до 1000 тонн, происходит ее взрыв.
Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу ее начальной массы. Например, время существования черной дыры с массой, равной массе Солнца составляет $10^{64}$лет.
Испарение черной дыры является квантовым процессом. В квантовой механике существует эффект туннелирования, который указывает на возможность преодоления потенциальных барьеров, которые в классической физике являются непреодолимыми.
Именно квантовые эффекты указывают на то, что черные дыры непрерывно излучают, при этом происходит постоянная потеря ими энергии.
Процесс излучения черной дырой можно представить следующим образом:
- Физический вакуум содержит множество возникающих и исчезающих флуктуаций разных полей (часто их называют виртуальными частицами). Во внешних полях из вакуума происходит рождение пар частиц-античастиц. Данные процессы текут около внешней стороны горизонта событий черной дыры.
- Попадая в черную дыру античастица, имеющая отрицательную полную энергию, уменьшает полную энергию покоя дыры, а значит и ее массу. В это же время частица получает возможность покинуть дыру и уйти в бесконечность.
Удаленный наблюдатель в этом случае данные процессы станет воспринимать как излучение черной дыры.
Так излучением Хокинга назвали процесс испарения черновых дыр, при котором происходит испускание ими разных частиц.
Довольно долгое время получить излучение Хокинга не удавалось. Первыми, кто заявил о том, что смогли получить в лаборатории излучение Хокинга, заявили итальянские ученые из университета в Милане.
Производилось обстреливание некоего нелинейного материала при помощи мощных лазерных импульсов. Материал подбирался в зависимости от его оптических свойств так, что свет замедлялся в зависимости от увеличения коэффициента преломления. Исследователи подобрали параметры материала так, что заставили электромагнитные волны остановиться на месте. Так был получен горизонт белой дыры, которая является аналогом черной дыры.
В этом опыте ученые зафиксировали волны с длиной 850 нм, тогда как исходное излучение обладало длиной волны 1055 нм. Ученые утверждали, что в эксперименте все помехи были исключены, и они зафиксировали излучение Хокинга.
