Представление статьи "Сомнительная черная дыра"
Французский перевод:
Сомнения в существовании черных дыр.
Перейти прямо к научной статье
Авторы:
Жан-Пьер Петит, Обсерватория Марселя Пьер Миди, Центр исследований в Орсэ.
Эта работа является результатом десяти лет усилий. В течение 30 лет астрономы говорят только об одном — "черных дырах". Это слово завораживает широкую публику. Множество книг посвящены этой теме. Однако наблюдательных подтверждений не хватает: черные дыры "светятся своим отсутствием". Известно, что Вселенная огромна. Наша галактика содержит не менее 100–200 миллиардов звезд.
Существование определенных объектов было обнаружено наблюдением, например, квазаров. Теперь известно более четырех тысяч квазаров. Это не означает, что мы точно знаем, что это за объекты, как они формируются, как развивались и какова их продолжительность жизни. На самом деле мы ничего о них не знаем. Они просто каталогизированы, как в давние времена "туманности" в эпоху астронома Мессьера.
Похоже, что некоторые квазары находятся в центре образований, имеющих форму галактики. Эти галактики, таким образом, имеют "активное ядро", что означает и ничего, и все сразу, поскольку мы не знаем природы этой активности, например, какова ее энергетическая основа.
Современная астрономия кажется довольствоваться малым. На вопрос:
- Что такое квазар?
Астроном ответит:
- Это ядро активной галактики.
А на вопрос:
- Что такое активная галактика?
Он ответит:
- Это галактика, которая имеет квазар в центре.
Недавно, несколько лет назад, были обнаружены "гамма-всплески", по одному в день. Журнал "Небо и Вселенная" однажды написал на обложке: "Гамма-всплески: загадка, наконец, разгаданная". Ответ в статье: только что локализовали маленькое светящееся пятно на месте гамма-всплеска, который только что был обнаружен. То есть, разгадать загадку — это знать, что области неба, излучающие эти всплески, также излучают свет...
Не кажется ли это немного... жалким?
С другой стороны, существуют другие объекты, существование которых было предсказано, часто с довольно точной степенью, еще до их наблюдения. Примером является сверхновая, описанная в 1931 году американским астрономом (швейцарского происхождения) Фритцом Цвикки на известной лекции в Калтехе, США. Тогда Цвикки объяснил, что звезды достаточно массивные, масса которых превышает, скажем, двадцать солнечных масс, должны пройти через кульминационный конец, с резким подъемом в течение нескольких дней, а полный процесс длится около двадцати дней. Это было замечательное предсказание, хотя в то время его не воспринимали всерьез. Но Цвикки, упорный, открыл первые сверхновые. В настоящее время известно несколько сотен. То же самое относится к нейтронным звездам, которые впоследствии были идентифицированы как пульсары (нейтронные звезды, вращающиеся) и белые карлики. В этом случае, фауна, вид насчитывает несколько сотен идентифицированных особей.
Черная дыра была предложена как ответ на проблему: судьба нейтронной звезды, превышающей определенную "критическую массу". Эти правильно идентифицированные нейтронные звезды похожи на огромные ядра атомов, без протонов. Почему эти объекты состоят исключительно из нейтронов?
Рассматривают нейтронную звезду как то, что остается от железного ядра массивной звезды после ее взрыва. Массивная звезда — это звезда, в которой происходят различные типы реакций синтеза в течение своей истории. В конечном итоге она производит железо, которое не может участвовать в какой-либо экзотермической реакции синтеза. Это железо, тяжелое, падает в центр звезды, как пепел в очаге. Когда звезда внезапно теряет топливо для синтеза (что понял Цвикки), она падает на себя со скоростью 80 000 км/с (с небольшой погрешностью, конечно). При падении на железное ядро, газ сильно сжимается. Не только он отскакивает от него, но и при прохождении происходит множество реакций синтеза, которые уже не требуют экзотермичности, так как энергия теперь приходит от резкого сжатия звезды самой на себя. Тогда создаются все возможные и мыслимые ядерные виды, включая множество радиоактивных атомов с очень разной продолжительностью жизни. Известно, что в 1987 году наблюдение взрыва звезды Sanduleak в Облаке Магеллана предоставило окончательное подтверждение существования подобных явлений (на расстоянии всего 150 000 световых лет).
Явление полностью раздавливает железное ядро, разрушая его атомы. Оно оказывается настолько сжатым, что электронам не хватает места для движения между нуклонами. Запертые, они соединяются с протонами, образуя нейтроны и нейтрино.
Обычно, когда мы сжимаем газ, явление, называемое давлением, противодействует этому сжатию. Это также верно для жидкости или твердого тела (все сжимаемо). Это происходит, например, когда молодая звезда рождается. Протозвезда — это масса газа, которая сжимается сама в себя. Но она нагревается, и сила давления ограничивает ее сжатие. Это слабый излучатель, и ей нужно потерять энергию излучением (инфракрасным) перед тем, как она сможет достаточно сжаться, чтобы превратиться в настоящую звезду. Если ее массы недостаточно, она превратится в "гигантский Юпитер" (эта гигантская планета излучает больше энергии, чем получает от Солнца, но никогда не превратится в звезду).
Когда взрыв сверхновой сжимает железное ядро, оно излучает огромное количество ... нейтрино. Тогда сценарий меняется полностью: радиативное охлаждение происходит мгновенно, поскольку нейтрино легко уходят. Таким образом, нет силы противодавления. Кончик железа разрушается жалко. Остается куча нейтронов, плотно упакованных друг с другом, как японцы в метро в часы пик.
Почему критическая масса? Потому что нейтроны не могут выдерживать давление, превышающее определенное максимальное значение. Как электрические лампочки, уложенные в шахту. При определенной высоте лампочек стекло разбивается, и образуется обломок стекла, который обрушивается на дно шахты.
Когда нейтронная звезда имеет массу, превышающую чуть более двух солнечных масс, ее давление в центре становится слишком сильным. Нейтроны не могут это выдержать. Тогда она должна сжиматься сама в себя, и ни одно известное физическое явление не может противостоять этому "гравитационному коллапсу". Перспектива, пугающая для физика.
Даже до того, как она сожмется, нейтронная звезда является "релятивистской", в отличие от "ньютоновского объекта". Это проявляется в виде траекторий "наблюдательных частиц" вблизи (любая масса m, атом и т.д.). Известно, что явление искривления пространства-времени вызывает прецессию орбиты Меркурия. Но эта прецессия очень мала. В то же время, рисунок ниже, взятый из компьютерных расчетов, показывает сильную прецессию почти эллиптической траектории ав...