Известно, что для белых карликов и нейтронных звезд существует предел массы, максимально возможное значение. Что будет, если нейтронная звезда, например, в двойной системе, поглотит (аккрецирует) столько вещества, что ее масса станет больше предельной? Согласно общей теории относительности, в этом случае никакая сила не может задержать коллапс! Гравитационные силы вблизи коллапсирующего объекта становятся все сильнее. В конце концов ничто не может вырваться из объекта во внешний мир, даже свет. Черная дыра родилась!
Черная дыра определяется, как область пространства-времени, которая не может сообщаться с внешней Вселенной. Граница этой области называется поверхностью черной дыры или горизонтом событий.
Судьба коллапсирующего вещества после того, как оно пересечет поверхность черной дыры, не известна. Если экстраполировать уравнения Эйнштейна внутрь черной дыры, то в конце концов они нарушатся: развивается сингулярность. Квантовой теории гравитации пока не существует, и некоторые полагают, что в такой теории сингулярности не будет. Ее заменят конечные, хотя и невероятно экстремальные условия.
Пока сингулярность скрыта внутри горизонта событий, она не может влиять на внешний мир. Мы можем продолжать использовать общую теорию относительности для описания наблюдаемой части Вселенной, хотя и эта теория нарушается внутри черной дыры.
Самое общее решение для стационарной черно дыры зависит только от трех параметров: массы M,количества движения J и заряда Q черной дыры. Вся остальная информация о начальном состоянии теряется, излучаясь в виде электромагнитных и гравитационных волн во время коллапса. Оставшиеся три параметра – это независимые и наблюдаемые величины, которые полностью характеризуют стационарную черную дыру. Масса черной дыры поддается определению, например, посредством использования третьего закона Кеплера для спутников, находящихся в гравитационном поле вдали от черной дыры. Заряд можно наблюдать по кулоновским силам, действующим на пробный удаленный заряд. Момент количества движения доступен для наблюдений по неньютоновским гравитационным эффектам. Например, гироскоп, свободный от внешних воздействий, буде прецессировать относительно инерциальной системы на бесконечности.
История.
Пьер Лаплас, пожалуй, первым предсказал существование «невидимых звезд». Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова: “Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми”. Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет! Если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.
Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и. примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.
Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа.
В декабре 1915 г. почти одновременно с опубликованием Эйнштейном серии из четырех статей, где излагалась общая теория относительности, Карл Шварцшильд вывел общее релятивистское решение для гравитационного поля, окружающего сферическую массу. Шварцшильд послал статью Эйнштейну, чтобы тот передал ее в Берлинскую академию. Хотя значимость результата была очевидной для обоих, ни Эйнштейн, ни Шварцшильд и никто другой в то время еще не осознавали, что решение Шварцшильда содержит полное описание внешнего поля сферической электрически нейтральной невращающейся черной дыры. Теперь мы называем такие черные дыры шварцшильдовскими.
Важнейший вывод теории Эйнштейна гласит: сферическое тело, радиус которого равен гравитационному радиусу и меньше, не может находиться в покое, должно сжиматься к центру. “Но позвольте, — спросит читатель, — если на гравитационном радиусе сила тяготения бесконечна, то какова она станет, как только тело уменьшится до размеров меньше гравитационного радиуса?”
Ответ довольно очевиден. До сих пор мы говорили о силе тяготения на поверхности статического, не сжимающегося в данное время тела. Но она зависит от состояния движения. Как мы уже говорили выше, при свободном падении наступает состояние невесомости — свободно падающее тело вообще не испытывает действия гравитационной силы. Поэтому на поверхности свободно сжимающегося тела не ощущается никакой силы тяготения (и вне сферы Шварцшильда, и внутри ее). Увлекаемое тяготением вещество не может остановиться на сфере Шварцшильда (оно испытало бы тогда бесконечную силу тяготения). Тем более не может оно остановиться внутри сферы Шварцшильда. Любая частица, например ракета, со сколь угодно сильным двигателем, оказавшись от тяготеющего центра на расстоянии меньше гравитационного радиуса, должна неудержимо падать к этому центру.
Итак, мы получили ответ на вопрос о том, к чему ведет бесконечное нарастание гравитационной силы с приближением тела к сфере Шварцшильда: к катастрофическому, неудержимому его сжатию. Физики называют это явление релятивистским коллапсом.
Таким образом, достаточно сжать тело до размеров гравитационного радиуса, а дальше оно само будет неудержимо сжиматься. Так возникает объект, который впоследствии получил название черной дыры.
Описанный процесс релятивистского гравитационного коллапса впервые был строго рассчитан с помощью уравнений общей теории относительности американскими физиками Р. Оппенгеймером и Г. Волковым в 1939 году. Они нашли, что любая связь черной дыры с остальной частью Вселенной, в конечном счете, нарушается. Это был первый строгий расчет, продемонстрировавший образование черной дыры.
В 1963 г. Керр нашел семейство точных беззарядовых решений вакуумных уравнений поля Эйнштейна. Обобщение на случай заряда было получено в дальнейшем Ньюменом как решение уравнений поля Эйнштейна-Максвелла. Связь этих результатов с черными дырами была понята позднее. Теперь мы знаем, что геометрия Керра-Ньюмена, описываемая этими решениями, дает единственное и полное описание внешних электромагнитного и гравитационного полей стационарной вращающейся черной дыры.
Пояснение: По современным представлениям, образованию черной дыры из коллапсирующего ядра массивной звезды должен предшествовать эффектный взрыв сверхновой. Причину таинственных космических вспышек гамма-излучения также принято искать в механизме коллапса с сильным энерговыделением. Однако, как ныне предполагают исследователи, самая знаменитая черная дыра Млечного Пути Лебедь X-1 (Cyg X-1) образовалась в результате коллапса массивной звезды без взрыва сверхновой. Доказательством этому служит цветной рисунок, изображающий область неба в созвездии Лебедя, включающую объект Cyg X-1 и скопление массивных звезд Лебедь OB3 (Cyg OB3, желтые кружки). Стрелками обозначены направление и скорость движения объекта Cyg X-1 и среднее направление и скорость движения массивных звезд скопления Cyg OB3. Сравнение показывает, что до превращения в черную дыру звезда Cyg X-1 также, скорее всего, относилась к этому скопление и что скорость и направление движения ее после превращения не изменились. Если бы черная дыра Cyg X-1 родилась в результате взрыва сверхновой, она бы получила мощный импульс, изменивший направление ее движения. Если образование черной дыры Cyg X-1 не было связано со вспышкой сверхновой, возможно, оно сопровождалось вспышкой темного гамма-излучения в Млечном Пути?