Описание эволюции звезд и проблема черных дыр

В области сильных гравитационных полей предсказания ОТО существенно отличаются от предсказаний теории гравитации Ньютона. Одним из таких предсказаний являются черные дыры — астрофизические объекты, сжатые гравитационными силами до размеров, меньших их гравитационного радиуса тд (радиуса сферы Шварцшильда).

Чтобы было понятно, о чем идет речь, давайте рассмотрим жизненный цикл звезды. Звезда, как известно, образуется, когда большое количество газа под действием сил собственного гравитационного поля начинает сжиматься. В процессе этого сжатия атомы газа, соударяясь друг с другом, разогревают вещество звезды до такой температуры, что оказываются возможными реакции слияния легких ядер и внутри звезды начинается термоядерная реакция. Так как на начальной стадии облако газа, в основном, состоит из атомов водорода, то сначала идет реакция синтеза ядер гелия, аналогичная той, которая происходит при взрыве водородной бомбы, но только из-за сжимающего действия сил гравитации продукты реакции не разлетаются в разные стороны. Тепло, выделяющееся при этой реакции, вызывает нагрев звезды и ее свечение. В результате давление внутри звезды нарастает до тех пор, пока оно не уравновесит силы гравитационного сжатия. После этого начинается стадия более или менее устойчивого течения термоядерных реакций в звезде, когда сначала выгорает весь водород, происходит дальнейшее сжатие звезды, повышение ее температуры и начинается горение все более тяжелых элементов. Из-за большого количества запасов термоядерной энергии эти процессы могут идти очень долго, например, наше Солнце существует уже несколько миллиардов лет.

Если ее масса не превышает некоторого предела, называемого пределом Чандрасекара, примерно равного 1,2 массы Солнца, то звезда превращается в белый карлик — медленно остывающую звезду, в которой силы гравитационного сжатия уравновешиваются силами давления электронов, находящихся в составе звезды и представляющих так называемый вырожденный электронный газ. В настоящее время известно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса — самой яркой звезды на ночном небе.

Если же масса звезды превышает предел Чандрасекара, то, согласно ОТО, происходит гравитационный коллапс — резкое сжатие звезды гравитационными силами. Этот коллапс развивается катастрофически — скорость движения поверхности звезды к центру оказывается близкой к скорости свободного падения. При массе звезды, не превышающей примерно 2,2 масс Солнца, гравитационный коллапс приведет к образованию нейтронной звезды, у которой силы гравитационного сжатия компенсируются силами давления, возникающими между протонами и нейтронами, из которых нейтронные звезды состоят. Радиус типичной нейтронной звезды составляет около десяти километров, а плотность вещества — сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.

Если масса звезды превышает 2,2 массы Солнца, то, согласно уравнениям Эйнштейна, давление протонов и нейтронов оказывается не в состоянии остановить гравитационное сжатие, и гравитационный коллапс звезды продолжается безостановочно. Его результатом, согласно ОТО, является черная дыра — астрофизический объект с таким сильным гравитационным полем, которое ничему не позволяет вырваться наружу — ни частицам вещества, ни излучению.

Анализ уравнений ОТО показал, что в черной дыре вещество должно сконцентрироваться в одной точке, а вокруг этой точки должна образоваться область пространства с особыми свойствами.

На основе дальнейших исследований была сформулирована знаменитая теорема ОТО: «У черной дыры нет волос», согласно которой характеристиками, определяющими гравитационное поле вне черной дыры, могут быть только ее масса, момент импульса (вращение) и заряд. Все остальные характеристики первоначальной звезды и ее вещества (образно говоря: как бы ее волосы) в процессе образования черной дыры пропадают.

Другое интересное свойство горизонта событий черной дыры состоит в том, что время свободного падения любого пробного тела к границе этой области, измеренное по часам покоящегося наблюдателя, оказывается бесконечным, в то время как этот же промежуток времени, измеренный по часам свободно падающего наблюдателя, оказывается конечным. Поэтому наблюдатель, свободно падающий в черную дыру и нашедший возможность вернуться назад до пересечения горизонта событий (например с помощью ракетных двигателей), обнаружит, что вдали от черной дыры за время его короткого путешествия прошло значительно больше времени, чем по его часам.

Разность показаний между его часами и часами, покоившимися вдали от черной дыры, зависит от того, насколько близко путешественник приближался к горизонту событий и сколько времени он находился в ее окрестности. Как показывают расчеты, эта разность может быть сколь угодно велика, так что путешественник, затратив небольшое время по собственным часам и незначительно постарев за время путешествия, вернувшись к месту старта, может не найти не только своих сверстников, но ни самой Земли, ни Солнца — а только остывший белый карлик (бывший когда-то Солнцем) на их месте.

Поиск черных дыр очень затруднен. Фактически единственным необходимым критерием отнесения астрофизического объекта к черным дырам в ОТО А.

Если одной из таких звезд будет черная дыра, а другой — обычная видимая звезда, то по наблюдениям за ее движением можно оценить, какую наименьшую массу может иметь ее невидимый компаньон. Если эта масса окажется большей, чем 2,2 массы Солнца, то одно из необходимых условий, предъявляемых теорией А. Эйнштейна к черным дырам, окажется выполненным. Другое необходимое условие более существенно и оно требует, чтобы звезда — кандидат в черные дыры — имела малый радиус — около десяти километров. Наблюдательным проявлением черной дыры при данных условиях может быть интенсивное рентгеновское излучение, испускаемое окружающим веществом, движущимся к черной дыре под действием ее сильного гравитационного поля. Поэтому из двойной системы, где находится черная дыра, должно приходить на Землю рентгеновское излучение. Так как рентгеновское излучение задерживается атмосферой Земли, то его наблюдение возможно только из космоса.

В настоящее время многие космические программы России, США и других стран заняты поиском и изучением рентгеновских источников в нашей Галактике и ее ближайшем окружении. По мере проведения таких исследований в научной литературе периодически появляются сообщения об открытии все новых и новых двойных систем, удовлетворяющих указанным необходимым условиям. К настоящему времени обнаружено уже несколько десятков таких двойных рентгеновских источников. Однако полученные данные пока не позволяют однозначно говорить об открытии черных дыр в природе.