Застывшие звезды, или коллапсары
Астрофизики считают, что черные дыры чаще всего могут образовываться в результате коллапса нейтронных звезд, когда при сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Есть ли реальные подтверждения существования черных дыр? Пока еще астрономы осторожно говорят о «кандидатах в застывшие звезды». Под черными дырами понимаются столь массивные и компактные сгустки вещества, что для преодоления их притяжения скорости света уже не хватает. Поэтому коллапсары и не могут светить ни своим, ни отраженным светом.
Ж-П. Люмине. Черные дыры: популярное введение
Любопытно было бы примерить чудовищную личину темной звезды к нашему светилу. Все мы знаем, что по своей природе Солнце является гигантским шаром высокотемпературной плазмы, в ядре которого непрерывно действует термоядерный реактор, где водородное топливо, сгорая, образует следующий по порядку элемент химической таблицы Менделеева – гелий. Несмотря на великанские размеры нашего светила, если бы мы загасили его термоядерную топку, его внутреннее газовое давление смогло бы сопротивляться действию сил тяготения не более получаса! А затем вся солнечная масса сжалась бы в точку или, правильнее сказать, на месте нашего светила возник бы чудовищный провал пространства-времени.
Из застывших звезд, или коллапсаров, не может вырваться ни луч света, ни радиосигнал, так что внешний наблюдатель никогда не узнает о том, что же происходит в этом странном месте, напоминающем пространство, «вывернутое наизнанку».
Все это настолько необычно и интересно, что надо обязательно попробовать хоть немного разобраться в физике замерзших звезд. Начнем с того, что для преодоления силы притяжения любого космического объекта, будь то астероид или звездный сверхгигант, необходимо развить определенную скорость, которая называется второй космической (первая космическая позволит вам стать спутником). Иначе говоря, стартуя с поверхности некоего небесного тела, надо обязательно набрать скорость убегания. Величина этой скорости определяется диаметром и массой тела: так, чем больше радиус при постоянной массе, тем меньше скорость убегания. Справедливо и противоположное – если радиус небесного объекта сокращается, скажем, под действием силы тяжести, то и величина скорости убегания пропорционально возрастает. В своем росте эта величина вполне может достичь и скорости света, так что сжимающееся тело навсегда исчезнет для внешнего наблюдателя. Ведь в этом случае объект сожмется внутри до такого критического радиуса, что его многократно возросшее поле тяготения просто не выпустит кванты электромагнитного излучения – фотоны – со своей поверхности.
Чудеса теории относительности
Любые массы искривляют пространство-время тем сильнее, чем больше эти массы. Когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения вещество будет неудержимо сжиматься и наступит катастрофа – гравитационный коллапс. В процессе коллапса растут концентрация массы и кривизна пространства-времени, и наконец в результате сжатия наступает момент, когда пространство-время свернется так, что ни один физический сигнал не сможет выйти из коллапсирующего объекта наружу и для внешнего наблюдателя объект перестанет существовать. Такой объект и называется черной дырой. Немало усилий было затрачено теоретиками, чтобы разобраться в особенностях геометрии пространства-времени, связанного с черными дырами.
Ж.-П. Люмине. Черные дыры: популярное введение
По мере того, как напряженность гравитационного поля вокруг сжимающейся звезды будет нарастать, теория Ньютона уже перестанет правильно описывать происходящие события, так что придется перейти к теории относительности Эйнштейна. Главный вывод здесь следующий: при увеличении сил тяготения все сильнее и сильнее начинает искривляться само пространство-время. И когда небесное тело сожмется до радиуса в несколько километров, произойдет настоящее чудо – пространство-время как бы «свернется», и в бездонной пропасти застывшей звезды родится черная дыра гравитационного коллапсара.
Если вспомнить все, что мы узнали о застывших звездах коллапсаров, то становится совершенно неясным, как же исследовать эти космические провалы, если никакая информация по определению не может вырваться с их поверхности. Действительно, все сказанное совершенно справедливо, но только для глубоко изолированных черных дыр, которым совершенно не с кем взаимодействовать.
Однако большинство застывших звезд продолжают «жить» в окружении самых разнообразных соседей, на которых действует их гравитационное поле. Кроме того, что черная дыра может быть видима на фоне плотного звездного поля, она еще и отклоняет лучи заслоняемых звезд, проходящие на некотором расстоянии. Кроме того, любая застывшая звезда может вступить в гравитационное взаимодействие с окружающими небесными телами. В конце концов, она может даже образовать планетарную систему, удерживая возле себя планеты, или же войти в ассоциацию с другими звездами.
Видно будет присутствие застывших звезд и в плотных туманностях, ведь вещество, падающее в черную дыру, должно разогреваться до очень высоких температур. Так что, прежде чем окончательно пропасть в зеве коллапсара, оно излучит в окружающее пространство мощный импульс рентгеновских лучей. Исходя из подобных соображений, астрономы очень внимательно анализируют двойные системы – источники рентгеновского излучения. Часть из них однозначно сопоставлена с нейтронными звездами, но некоторые объекты оказались слишком массивными для нейтронных звезд и тут же попали в кандидаты на черные дыры.
Невидимые космические монстры
Астрофизики считают черные дыры очень странными небесными объектами, внутри которых останавливается время, искривляется пространство. По предварительным оценкам, их количество во Вселенной может достигать миллионов, при этом некоторые из них имеют диаметр всего в несколько километров, а некоторые превышают Солнечную систему. И хотя способность удерживать внутри себя всякое излучение относится к главным особенностям застывших звезд, астрономы обнаруживают их по чрезвычайно ярким вспышкам, возникающим в окрестности коллапсара, когда он поглощает другие небесные тела, включая звезды и галактические газы. Во время коллапсионного застывания звезды происходит взрыв с выделением колоссального количества энергии, сопровождаемого вспышкой гамма-излучения, что также фиксируются приборами.
Шапиро С, Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды
Доказательства реальности космических коллапсаров получить совсем не просто, ведь по идее их невозможно наблюдать из-за полного отсутствия излучения. Правда, астрофизики еще много лет назад указывали, что вокруг застывших звезд должен возникать радужный ореол концентрических колец из захваченных гравитационным полем световых фотонов. Если луч света проходит достаточно близко, чтобы испытать на себе действие силы тяжести, но в то же время достаточно далеко, чтобы не быть ею захваченным полностью, он может совершить вблизи черной дыры один или несколько оборотов. Однако для наблюдения подобного удивительного эффекта необходимо быть достаточно близко от коллапсара, подсвеченного сзади яркой звездой.
