1 черни дупки

През 1783 г. преподавателят от Кеймбридж Джон Мичъл публикува в списанието на Лондонското кралско дружество “Философикъл Транзакшънс” /”Философски трудове”/ разсъжденията си върху това какво би станало със светлината в гравитационното поле на много масивна звезда.

Интересно, че 13 години по-късно френският учен маркиз Дьо Лаплас, очевидно независимо от Мичъл, изказва подобна идея и я публикува в първото и второ издание на труда си “Система на Света”, но не и в следващите издания. Вероятно е решил, че това е безумна идея, а и корпускулярната теория за светлината по негово време вече е била в немилост. Приемало се, че светлината е вълна и не било ясно дали електромагнитните вълни би трябвало да изпитват влиянието на гравитацията.

Всъщност едва Общата теория на относителността на Айнщайн през 1915 г. дава основата за изграждане на смислена теория на свръхмасивни тела, в каквито трябва да се превърнат след колапса си най-масивните звезди в крайните стадии на своята еволюция. Но реалното съществуване на такива обекти било отричано дори от авторите на теорията за звездната еволюция и самият Айнщайн.

През 1928 г. един дипломирал се студент от Индия, Субраманян Чандрасекар, отплувал за Англия, за да учи в Кеймридж при английския астроном сър Артър Едингтън – специалист по Обща теория на относителността.

Чандрасекар изчислил, че ако остатъкът след избухването на една звезда е с маса повече от 3 (2,4) пъти слънчевата – граница на Чандрасекар, не би могла да устои на по-нататъшния си колапс.
6
7 ЧЕРНИ ДУПКИ

През 1928 г. един дипломирал се студент от Индия, Субраманян Чандрасекар, отплувал за Англия, за да учи в Кеймридж при английския астроном сър Артър Едингтън – специалист по Обща теория на относителността.

Чандрасекар изчислил, че ако остатъкът след избухването на една звезда е с маса повече от 3 (2,4) пъти слънчевата – граница на Чандрасекар, не би могла да устои на по-нататъшния си колапс.
8 ШВАРЦШИЛДОВСКА невъртяща се черна дупка
9

Rш = 2 G . M/c²

• 
  Земя Rш = 0,8 cm
  
• 
  маса 6.10*24 kg
  
• 
  плътност 10*30 g/cm³
  
• 
  Слънце Rш = 3 km
  
• 
  маса 2.10*30 kg
  
• 
  плътност 10*19 g/cm³
  
• 
  Галактика Rш = 0,03 ly
  
• 
  маса 10*11 MСлънце
  
• 
  плътност 10*(-3) g/cm³
  

10

Между 1965 и 1970 г. съвместната работа на Стивън Хокинг и Роджър Пенроуз показва, че в черната дупка съществува сингулярност. В такова състояние е била материята и при Големия взрив. С този термин те наричат състоянието с безкрайно голяма плътност и безкрайна кривина на пространство-времето, при което законите на познатата ни физика не са валидни, а времето и пространството имат начало и край. Но това е само вътре в черната дупка, откъдето нито лъч светлина или някаква информация могат да излязат.

“С други думи, сингулярностите в резултат на гравитационен колапс настъпват само на места като черните дупки, където са благоприлично скрити от външен поглед чрез хоризонта на събитията."

“С други думи, сингулярностите в резултат на гравитационен колапс настъпват само на места като черните дупки, където са благоприлично скрити от външен поглед чрез хоризонта на събитията."

“Хоризонтът на събитията, границата на пространство-времевата област, от която не може да се избяга, действа като еднопосочна мембрана около черната дупка: обекти като непредпазливи астронавти могат да паднат през хоризонта на събития в черната дупка, но нищо не може никога да се измъкне от черната дупка през хоризонта на събитията… Всичко или всеки, който падне през хоризонта на събития, скоро ще стигне областта с безкрайна плътност и края на времето.”

Черната дупка може да е далеч от звездни компаньони, някъде в междузвездното пространство, но светлината от звездите все пак стига и до нея. Направлението на светлинните лъчи могат да достигат до черната дупка под всякакви ъгли. Тези, които са насочени точно към сингулярността или центъра на черната дупка наистина ще навлязат под хоризонта на събития и черната дупка ще ги погълне. Другите ще се изкривят малко или много в зависимост от ъгъла на попадение, съгласно едно от следствията на Общата теория на относителността. Множеството светлинни лъчи с всякакви закривявания около хоризонта на събитията ще образуват нещо като “фотонна сфера”.

Фотонната сфера е призрака на черната дупка, която издава присъствието й. Всъщност структурните елементи на самата черна дупка в пространството са:

сингулярност и

хоризонт на събитията.

През 1967 г. канадският учен Вернер Израел стига до извода, че невъртящите се черни дупки трябва да са идеално сферични и размерът им да зависи само от тяхната маса.

Всъщност, всяко тяло, движещо около по-масивно тяло губи енергия в резултат на “набръчкване” на пространство-времето и възникналите гравитационни вълни.

Много по-бързо губят енергия две неутронни звезди в тясна система. И гравитационните вълни в този случай са по-внушителни. Към такива обекти, както и към тесни системи от неутронна звезда и черна дупка или две черни дупки е насочено вниманието за детектиране на такива вълни.
17

Нека сме се уговорили да изпращаме през равни интервали време сигнали за земни наблюдатели. С доближаване до хоризонта на събитията, тези сигнали ще стават все по-разредени, докато в един момент те ще спрат. Ако можеха да ни виждат от Земята, в този момент ние завинаги ще останем с изтерзания си вид, опитвайки се да задържим частите на тялото си в едно цяло. Нещо като размазани върху прозорец мухи. Защото хоризонта на събитията е невидим – това е само тази част от пространство-времето, откъдето все още достига изпратена информация. Ако за външен наблюдател нещата спират дотук, то нека си представим, че сме успели някак да се справим с неимоверно нарастналата си маса и пресечем хоризонта на събитията. Няма начин да разберем кога става това. Впоследствие обаче разбираме, че повече нямаме никакъв избор.Попаднали сме

Тук сингулярността е пространственоподобна – тя е “разтеглена” по абсцисата на пространствените координати.

Това означава, че наистина всичко попаднало под хоризонта на събития на такава невъртяща се черна дупка е обречено да падне върху сингулярността.
19 във вътрешността на невъртяща се черна дупка
20

Диаграмата на Пенроуз обаче е симетрична – тя предвижда съществуването на друга Вселена “зад” сингулярността. Попадайки неизбежно върху сингулярността обаче всичко среща там краят на пространство-времето.

През 1963 г. новозенландецът Рой Кер намира множество решения на уравненията на Общата теория на относителността, описващи въртящи се черни дупки.

Въртящите се черни дупки имат 2 хоризонта на събитията. Прието е външният да се нарича граница на стационарност, а вътрешният хоризонт на събитията е този, който обгражда идеалната сфера, ако черната дупка не се върти. При полюсите те се припокриват.

24

Областта между границата на стационарност и хоризонта на събитията се нарича ергосфера.От нея е възможно да се измъкне нещо попаднало обратно в нашата Вселена.

Сингулярността на такава черна дупка е с формата на пръстен.

Диаграмата на Пенроуз я изобразява като времеподобна.

Това означава, че съществува вероятност да се премине през центъра на въртяща се черна дупка без да се попадне непременно през сингулярността. Това е в случай на навлизаща частица по оста на въртене или на много малък ъгъл спрямо нея.

Наистина такава частица няма да “усети” краят на пространство-времето, характерни за сингулярността, но няма да има възможност да се завърне в нашата Вселена. Затова пък може да “пътешества” от една в друга Вселена.

Движението е еднопосочно – от нашата към друга Вселена. После към следваща и т.н. Завръщането обратно в нашата Вселена е невъзможно, защото би нарушило “космическата цензура”.

Пространството около черна дупка.

Веществото, попадащо към хоризонта на събитията се завихря в акреционен диск, ускорявайки се все повече по спираловидната си траектория към хоризонта на събитията. Частиците излъчват рентгенови лъчи и източниците на такива лъчи отдавна са заподозрени за евентуални черни дупки. Характерни са и джетовете – потоците изхвърлящо се вещество от околността на черната дупка по оста на въртене. Ако наблюдателят е по направление на тази ос, той ще вижда мощен източник на гама-излъчване.

Тук не става дума за излъчване на самата черна дупка, а за характерно поведение на частиците, попаднали в хватката на гравитацията от околното пространство.

28

Мостът на Розе-Айнщайн може да ни изведе в друга вселена, където мерната дупка в нашата Вселена ке превръща в своя антипод - бяла дупка в другата вселена.

Ако същестуването на черните дупки следва логически и математически от самите уравнения на Общата теория на относителността, то единствено чувството за симетрия предполага съществуването на техните антиподи – белите дупки. Самото обстоятелство, че въртящите се черни дупки имат времеподобни сингулярности, предполага, че ако се обърне оста на времето в противоположната посока, същите уравнения, описващи керовска черна дупка биха станали уравнения на бялата дупка. Физическият обект, отговарящ на такова решение е нещо, от което само излиза материя.

29 СИВИ ДУПКИ ИЛИ ЦВЕТНИ…

Ако черните дупки в една вселена са пространство-времето, което само поглъща, това същото пространство-време в друга вселена се проявява като бяла дупка, която само излъчва.

В този смисъл бяло-черните дупки всъщност са сиви дупки.

Вземайки предвид следствието от Общата теория на относителността за гравитационното почервеняване, можем да си позволим да си представим и цветни дупки: черните ще изглеждат червени, а белите – сини. Имайки предвид интерпретацията черно-бяла дупка като сива, можем да говорим наистина за цяла гама цветни дупки.

Наистина светът не е само чернобял.
30

Последователни етапи на образуване на сива дупка и преход в друга вселена

Вземайки предвид следствието от Общата теория на относителността за гравитационното почервеняване, можем да си позволим да си представим и цветни дупки: черните ще изглеждат червени, а белите – сини. Имайки предвид интерпретацията черно-бяла дупка като сива, можем да говорим наистина за цяла гама цветни

Хокинг

Вземайки предвид Принципа на неопределеността за енергията и формулата на Айнщайн Е = m . c² придобиваме нова представа за вакуума. Празно пространство наистина не е точният израз, описващ същността на вакуума. Той е като врящ океан от елементарни частици, чиято енергия се “овеществявава” от време на време. Неопределеността в енергията на двойка виртуални частици - частица и античастица е толкова голяма, че времето на съществуването им във вид на вещество с определена маса е много малко. След нищожни части от секундата, те вече са анихирали и влели отново превърната си в енергия маса във вакуума. Маса-енергията на вакуума остава постоянна величина. Законът за запазване масата-енергията е спазен.

Мощното гравитационно поле в околностите на черна дупка рязко усилва процеса на възникване на виртуални частици.

Пространство-времето буквално се разкъсва от мощната гравитация.

Ако двойката виртуални частици е до самия хоризонт на събитията, има вероятност за времето на краткото им съществуване едната частица да попадне безвъзвратно под хоризонта на събития и другата вече няма как да анихилира. Времето на съществуване й като частица се удължава и външен наблюдател може да я регистрира като елементарна частица, излъчена от черната дупка.

Черните дупки, излъчвайки, се смаляват. При това, колкото повече се смаляват, толкова по-бързо губят маса. Не е напълно ясно какво става, когато масата стане съвсем малка, но следвайки логиката на разсъжденията – все по-ускоряващият се процес в крайна сметка ще доведе до много бързо изчерпване на масата или до “един гигантски последен взрив, равностоен на експлозията на милиони водородни бомби”.

Черна дупка с маса няколко пъти слънчевата излъчва като тяло с температура 1/1 000 000 част от градуса над абсолютната нула!
37

VІ. ПЪРВИЧНИ МИНИ-ЧЕРНИ ДУПКИ

Ясно е, че сега черни дупки със звездна маса възникват след взрив на Свръхнова като краен стадий от еволюцията на масивна звезда. Свръхмасивните черни дупки в центъра на галактиките вероятно са резултат от сливане на множество черни дупки със звездни маси, но за техния произход не можем да сме сигурни.

Хокинг говори за съществуването на първични миниатюрни черни дупки, образувани в първите мигове след Големия взрив от възникналите нееднородности на материята. Техните маси са много по-малки от масата на Слънцето и достигат до

1/100 000 грама.

Животът на една първична черна дупка с маса 10*9 тона е приблизително равен на възрастта на Вселената. Минидупка с маса милиарди тонове и размер на протон /10*-33 см/ излъчва като нагрято до 120 милиарда К тяло.

Първичните черни дупки с по-малки маси би трябвало вече да са се изпарили, а тези които все още излъчват би трябвало всъщност да са “нажежени” и да излъчват енергия около 10 000 Мегавата.Излъчването с такава енергия е в рентгеновия или гама-диапазон.

Оценките водят до около 300 първични черни дупки на кубична светлинна година средно или това е 1/милионна част от вселенската материя.

Откриване на черни дупки на фона на Млечния път чрез внезапни проблясъци на звезди от фона – един от методите в астрономията.

Тази близка черна дупка в съзвездието Скорпион, наречена микроквазар GRO J1655-40, профучава на фона на Млечния път, движейки се с 400 000 км/час или с 4 пъти по-голяма скорост от галактичните си съседи, получила начален тласък от взрива на Свръхнова. Това е вторият микроквазар, открит в нашата Галактика – така се наричат черните дупки със звездна маса за разлика от квазарите – свръхмасивните черни дупки в ядрата на галактиките. Досега са открити дузина черни дупки - микроквазари, но непряко – чрез оценка на масата на невидимата компонента в двойна система. И “нашата” черна дупка има нормална звезда-компаньон в близост,успяла да се задържи въпреки мощния взрив. Тя все още обикаля около остатъка от масивния си звезден съсед с период от 2,6 дена, приближавайки се все повече, за да бъде разкъсана и погълната от ненаситния звезден труп.

Според съвременните представи черни дупки се образуват след взрив на масивна звезда в края на живота й. Най-вероятната причина за космическите гама-избухвания е отделянето на голямо количество енергия при такъв взрив. Оказва се обаче, че известната черна дупка в съзвездието Лебед Cyg X-1 вероятно се е образувала в резултат на колапс на масивна звезда, която не е избухнала като Свръхнова. Това потвърждава това изображение, където са нанесени пространствените премествания на Cyg X-1 и купът Cyg OB3, чиито звезди са обградени с жълти кръгчета. Стрелките, сочещи посоката и скоростта на пространственото им движение са по еднакво направление и големина. Това означава, че обектът Cyg X-1 спада към купа млади масивни звезди Cyg OB3. Ако черната дупка бе възникнала в резултат на взрив на масивна звезда, то този взрив би я запратил извън купа, но това не се случило.

В центъра на този водовъртеж от горещ газ се намира обект GRO J1655-40, който е невъзможно да бъде видян, защото е черна дупка. Наличието и характеристиките й могат да се определят по излъчването на въртящия се газ. Така е определено, че черната дупка има маса 7 пъти повече от слънчевата. И нещо интересно - регистрирани са кратки просветвания в излъчването на газа около тази черна дупка с честота 450 пъти в секунда. Те може да се дължат на бързото въртене на черната дупка. Физическият механизъм, предизвикващ тези мерцания, а също и по-бавните квазипериодични осцилации в акреционните дискове около черните дупки и неутронните звезди, все още търси своето обяснение.

Изображението на космическата рентгенова обсерватория “Чандра”
42

Масивна черна дупка в елиптичната галактикаNGC 7052 с маса поне 300 милиона слънчеви маси.

Елиптичната галактика NGC 7052 с масивна черна дупка в центъра

Масивна черна дупка в центъра на нашата Галактика.