загрузка...
Дата публикации: 30.09.2009


Загадочные небесные тела — коллапсары пока не открыты.
Тайной остается их развитие, и лишь угадываются гигантские силы, управляющие огромными звездными массами, потоками излучений из галактических глубин.

Статья 1977г Техника молодежи 11 Б. Кочетков Инженер

Какова их роль во вселенной? Сможет ли человек достичь когда-нибудь окрестностей коллапсаров? Связан ли эффект «черных дыр» с пульсарами и сверхновыми? Вряд ли можно сомневаться, что первые шаги и находки астрофизиков на пути исследования необычных небесных тел начинают собой цепочку новых открытий и неподдельных тайн. Наиболее распространенное мнение об эволюции звезд сводится к тому, что звезда, пройдя несколько стадий развития, в зависимости от массы превращается в белого карлика или нейтронную звезду, имеющих чудовищную плотность от 10 ^8 г/см3 до 10 ^14 г/см3. При этом если нейтронная звезда превышает удвоенную массу Солнца, то стационарное ее состояние невозможно. Звезда под действием гравитационных сил будет неограниченно сжиматься, и в конце концов произойдет так называемый гравитационный коллапс. Это означает, что ни одна из известных частиц материи или видов излучения не в состоянии будет преодолеть гравитационное притяжение и оторваться от звезды. Такая звезда перестает излучать, и единственным ее внешним проявлением будет мощное гравитационное поле. В связи с этим таким звездам присвоено не совсем благозвучное название «черные дыры». Может сложиться мнение, что «черные дыры» являются своеобразными «хищниками» вселенной, бесследно и безвозвратно поглощающими все, что попадает в сферу их мощного гравитационного притяжения. Однако такое представление противоречит самому факту существования вселенной. Действительно, если бы «черные дыры» были столь агрессивны, то они бы когда-то в необозримо далеком прошлом уже бы поглотили всю материю вселенной.

И все же, если «черные дыры» существуют, то как можно представить их роль в эволюции вселенной? Что это — безвозвратная для вселенной гибель материи? А может быть, «черные дыры» выполняют роль аккумуляторов рассеянной материи всех видов, которая «засоряет» космическое пространство, с тем чтобы, вдохнув в нее новую энергию, возродить звезды и туманности? Приняв за основу некоторые допущения, можно прийти к выводу, что «черные дыры» являются колыбелью небесных тел. Основной предпосылкой всех дальнейших рассуждений будет предположение о том, что вещество элементарной частицы обладает в какой-то мере свойствами жидкости и его огромная плотность порядка 10^7 кг/м3 объясняется малыми размерами элементарных частиц, что обусловливает невообразимо большое поверхностное натяжение, превышающее в 10 ^18 раз поверхностное натяжение воды. Другой предпосылкой является предположение, что при наличии определенных условий, когда вещество элементарной частицы собрано в бесструктурную однородную массу, поверхностное натяжение может уменьшаться, что приводит к уменьшению плотности этого вещества с соответствующим увеличением объема, занимаемого этой частицей.

По всей видимости, «черная дыра» имеет предельную критическую массу, превышение которой приводит к грандиозному взрыву с выбросом в окружающее пространство больших масс материи. Вещество «черной дыры» сжато колоссальными гравитационными силами до огромной плотности. В результате этого сжатия атомные ядра раздавлены и вещество «черной дыры» представляет собой сгусток нейтронов. Для дальнейших рассуждений необходимо иметь хотя бы самое общее представление о строении «черной дыры» и основных особенностях ее «поведения». Наиболее существенным здесь является предположение, что «черная дыра» имеет центральное ядро, состоящее из нейтронов или иных элементарных частиц, и внешнюю сферическую границу. Но эта граница является лишь определенным уровнем гравитационного поля, способного удержать своим притяжением все виды частиц и излучений.

Вокруг «черной дыры» и внутри ее границ поглощаемые частицы материи движутся под воздействием гравитационных сил по своим орбитам с громадной скоростью, приближаясь к ядру и в конце концов сливаясь с ним. Орбитальный период существования поглощаемых частиц до слияния с ядром не может быть слишком продолжительным по космическим меркам, поскольку они движутся к «черной дыре» с разных сторон окружающего пространства и траектории их движения пересекаются, что приводит к столкновениям частиц, изменениям их орбит и быстрому приближению к ядру. Темпы увеличения массы ядра «черной дыры» зависят от плотности материи в окружающем пространстве. Наиболее быстро набирают массу «черные дыры», расположенные в газопылевых облаках, занимающих обширные пространства и состоящих из отдельных атомов, молекул и пылинок. Приближаясь к «черной дыре», эти частицы разгоняются в ее мощном гравитационном поле до громадных скоростей, сравнимых со скоростью света. В результате эти частицы приобретают энергию, становятся источником излучения. Интенсивность излучения особенно значительна непосредственно у границы «черной дыры», где скорость частиц материи достигает высших значений.

Следовательно, являясь абсолютно черным телом и ничего не излучая, «черная дыра» при определенных условиях создает источник излучения, мощность которого зависит от плотности материи в окружающем пространстве. Этот «демаскирующий» признак обеспечивает возможность поиска и обнаружения «черных дыр». Возможно, что имеющиеся во вселенной источники рентгеновского и некоторых других видов излучения являются «черными дырами», интенсивно поглощающими материю из окружающего пространства. Не исключена и такая ситуация, когда отдельным «черным дырам» особенно «повезет» и они втянут в сферу своего притяжения звезду. Как и любое другое космическое тело, звезда будет двигаться вокруг «черной дыры» по эллиптической орбите. При достаточно близком их расположении материя звезды начнет втягиваться в «черную дыру», превращаясь при этом в источник мощного излучения. Это излучение неоднородно по разным направлениям. «Черная дыра» является идеальным и абсолютно непроницаемым экраном для любого вида излучения. Преградой для стороннего излучения является и сама звезда.

В том случае, если наиболее интенсивное излучение исходит от участка пространства у границы «черной дыры», обращенного в сторону звезды, то в результате циклически повторяющегося экранирования этого места попеременно «черной дырой» и звездой в пространстве, близком к плоскости орбиты звезды, интенсивность излучения будет иметь переменный характер. Это может явиться объяснением природы некоторых пульсаров с их мощным импульсным излучением.

«Черная дыра» со звездой-спутником должна создавать импульсное излучение не только за счет циклического экранирования места наиболее интенсивного излучения. При определенных параметрах эллиптической орбиты звезды «черная дыра» в любом направлении будет наблюдаться как пульсар. Объясняется это тем, что при движении по эллиптической орбите звезда то приближается к «черной дыре», то удаляется от нее. При этом в период сближения с «черной дырой» захват материи звезды имеет максимальное значение, а с удалением звезды от «черной дыры» интенсивность захвата материи уменьшается.

В любом из указанных случаев захват материи из окружающего пространства приведет к тому, что масса «черной дыры» со временем медленно или сравнительно быстро по космическим меркам возрастает. Это создает определенные сдвиги во внутреннем строении «черной дыры». Гравитационное сжатие приводит к тому, что расстояние между элементарными частицами (будем называть их нейтронами) уменьшится. Чем больше масса ядра «черной дыры» и ее плотность, тем сильнее это гравитационное сжатие, тем меньше расстояние между нейтронами. В конце концов с ростом массы и плотности ядра «черной дыры» нейтроны в центре ядра, где гравитационное сжатие достигает максимальных значений, преодолевая силы отталкивания, вплотную сблизятся друг с другом и произойдет их слияние. При слиянии двух нейтронов образуется новая частица, имеющая тот же состав, что и нейтрон, но вдвое большую массу.

Назовем эту частицу для удобства и краткости дальнейшего изложения монополем (то есть: единое из многого). В связи с большей массой монополя по сравнению с нейтроном он будет иметь и более значительный объем.. При этом, что весьма существенно, объем монополя увеличивается как за счет возрастания его массы, так и за счет уменьшения плотности вещества в связи с меньшим поверхностным, натяжением при увеличении размеров частицы. В недрах «черной дыры» суммарное давление внутри нейтрона складывается из давления, вызванного поверхностным натяжением и гравитационным сжатием, создаваемым массой ядра «черной дыры». Исходя из приведенных выше соображений, моно-поль, образовавшийся при слиянии двух нейтронов, имеет больший объем по сравнению с объемом, занимаемым двумя нейтронами. Увеличение объема монополя при слиянии нейтронов происходит мгновенно и вызывает ударное воздействие образовавшегося монополя на соседние нейтроны. Поскольку внутри ядра «черной дыры» нейтроны «упакованы» с максимально возможной плотностью, то образовавшийся монополь не умещается в объеме пространства, которое занимали создавшие его нейтроны. Он внедряется в вещество соседних нейтронов и сливается с ним. Слияние монополя с соседними нейтронами дополнительно увеличивает его линейные размеры, что, в свою очередь, приводит к соответствующему уменьшению поверхностного натяжения и связанного с этим снижения плотности вещества. Происходит лавинообразный процесс стремительного роста массы и объема монополя за счет слияния с соседними нейтронами с одновременным уменьшением его плотности. При достижении достаточно большого объема давление внутри монополя, а следовательно, и плотность его вещества будут определяться только величиной гравитационного сжатия. В связи с этим при слиянии каждого последующего нейтрона с монополем его по-' верхностное натяжение, превышающее в 10^18 поверхностное натяжение воды, будет мгновенно исчезать, обеспечивая возможность резкого расширения вещества нейтрона и возрастания за счет этого объема монополя. Внутри «черной дыры» образуется своеобразная ударная волна, стремительно движущаяся от центра к поверхности ядра «черной дыры». Скорость этой волны может быть, вероятно, сравнима со скоростью света, поэтому процесс превращения вещества ядра «черной дыры»- в единый монополь происходит мгновенно. В связи с бесструктурным и однородным строением монополь можно рассматривать как гигантскую элементарную частицу с массой ядра «черной дыры». Монополь имеет избыточное внутреннее давление, не уравновешиваемое гравитационным сжатием, поскольку вещество монополя освобождено от поверхностного натяжения нейтронов. Это приводит к дальнейшему быстрому увеличению объема монополя и столь же стремительному уменьшению гравитационного радиуса, определяющего границу «черной дыры». Гравитационное поле как бы втягивается внутрь монополя.

Резкое уменьшение напряженности гравитационного поля «черной дыры» при ее взрыве является признаком, который позволяет зафиксировать это явление. Однако здесь есть существенные препятствия, связанные с отсутствием необходимой аппаратуры, способной фиксировать неожиданное и заранее не предусмотренное изменение совершенно' ничтожных напряжений гравитационного поля. Дальнейшее расширение монополя за границей «черной дыры» в окружающее пространство приведет к уменьшению внутреннего давления и формированию из однородного бесструктурного вещества монополя элементарных частиц. Первичными частицами при этом, по-видимому, будут являться электроны и протоны, имеющие громадную энергию, а также мощное электромагнитное излучение. Из первичных частиц затем образуются атомы водорода, некоторая часть из них уйдет в окружающее пространство в виде космического излучения. Возможность выброса вещества монополя за границу «черной дыры» во внешнее пространство может показаться гипотетической. В связи с этим нужно заметить следующее:

1. Вещество монополя обладает чрезвычайно высокой энергией, превышающей энергию любой из известных частиц или видов излучения. Это объясняется тем, что к громадным собственным запасам энергии ядра «черной дыры», связанным с поглощением очень «горячих» частиц из окружающего пространства и гравитационным сжатием, добавляется колоссальная энергия исчезнувшего поверхностного натяжения элементарных частиц, слившихся в монополь.

2. Расширение монополя объясняется не только его высокой внутренней энергией, но и большим объемом вещества, которое в пределах границы «черной дыры» не может быть удержано только гравитационными силами при отсутствии поверхностного натяжения нейтронов.

Дальнейшая судьба «черной дыры» может быть двоякой. В том случае, если движущаяся граница «черной дыры» в связи с замедлением расширения монополя не дойдет до его центра, то расширившееся вещество монополя в более слабом гравитационном поле вновь превратится в нейтроны, и «черная дыра» меньшей массы и размеров продолжит свое существование. При этом имеется в виду, что часть вещества «черной дыры» при взрыве будет выброшена в пространство.

Если же в результате расширения монополя разброс его вещества будет более значительным, то оставшаяся на месте ядра «черной дыры» масса вещества уменьшенной плотности не обеспечит создания гравитационного поля, способного удержать излучение, н «черная дыра» исчезнет. На ее месте останется «помолодевшая» горячая звезда, состоящая в основном из водорода. Взрыв «черной дыры» должен представлять собой исключительное по грандиозности явление. Не исключено, что происходящие в глубинах вселенной вспышки сверхновых звезд и есть взрывы «черных дыр». А может, и все тела вселенной возникли из первичной «черной дыры», взорвавшейся около десяти миллиардов лет назад? Обоснованность такого предположения будет выглядеть достаточно убедительной, если учесть, что по некоторым оценкам масса материи, выбрасываемая при вспышке сверхновой звезды, может во много раз превышать массу Солнца. Наиболее распространенное объяснение этого грандиозного явления сводится к тому, что звезда после термоядерного сгорания легких элементов начинает катастрофически быстро сжиматься. В ходе этого сжатия внешние слои звезды с большой скоростью обрушиваются на тяжелое ядро, что приводит к резкому повышению температуры (до миллиарда градусов!) и вовлечению в термоядерную реакцию более тяжелых элементов. Выделяющаяся при этом энергия столь велика, что происходит сброс внешних оболочек звезды, воспринимаемый как вспышка сверхновой. Однако полученные расчетным путем данные свидетельствуют о том, что выбрасываемая при таком процессе масса и излучаемая энергия значительно уступают по величине аналогичным показателям при вспышке реальных сверхновых звезд.

Представляется вполне вероятным. что только взрыв «черной дыры» может дать объяснение рождению сверхновых звезд и связанным с этим выбросам в пространство вселенной огромных масс и излучения.

Статья инженера Б. Кочеткова

Статью инженера Б. Кочеткова комментирует кандидат технических наук Валерий АЛЕКСЕЕВ

МЕТАМОРФОЗЫ ГОРЯЧИХ ЗВЕЗД

Появление «черных дыр» было предсказано еще в 30-х годах нашего столетия. Физики не без оснований предвидели, что сжатие звезды с массой, большей массы Солнца, будет продолжаться до тех пор, пока на месте огромного светила не образуется странное тело размером в несколько километров — примерно с астероид. При этом деформируются сами атомы, пустоты исчезают, остаются же главным образом нейтроны. Отсюда название для такого необычного объекта — нейтронная звезда. Плотность ее веще-ства в миллион миллиардов раз превышает плотность воды. Чайная ложка такого вещества пробила бы Землю насквозь.

Конечная стадия гравитационного коллапса массивной звезды как раз и есть «черная дыра» — и притяжение ее столь велико, что свет никогда не покинет ее поверхность. Обнаружить «черную дыру» помогут, вероятно, эффекты, обусловленные гигантской гравитацией. Ведь если партнером «черной дыры», оказывается обычная звезда, то частицы и газы покидают поверхность последней и притягиваются странным небесным телом. Разгоняясь до очень больших скоростей, такие потоки становятся источником мощного рентгеновского излучения. Не так давно зарегистрировано мощное излучение, поступающее от невидимого источника рентгеновских лучей в созвездии Лебедя. Ученые предполагают, что его масса в несколько раз превосходит солнечную; следовательно, он слишком тяжел для того, чтобы оказаться обычной нейтронной звездой. Скорее всего это классическая «черная дыра». И этот объект вращается вместе со сверхгигантом — звездой НЕ 226868. Не с ее ли поверхности поднимаются газовые смерчи, уносящиеся к невидимому спутнику и вызывающие рентгеновское излучение? Американские ученые исследовали спектр излучения и пришли к выводу, что период вращения звезды-сверхгиганта накладывает на него своеобразный отпечаток. Когда невидимый спутник располагается между звездой и нашей планетой, излучение максимально, когда же он «закрывается» светилом — сила рентгеновских лу- чей ослабевает. Такая модуляция точно соответствует периоду вращения гиганта с шестизначным номером. Вывод может быть только один: незримые лучи, пронизывающие галактическое пространство, действительно испускаются темным объектом. «Черные дыры» самые таинственные тела вселенной. Исследователи не могут надеяться когда-нибудь увидеть их свечение. Косвенные же данные приносят все новые и новые подтверждения их существования.

Радиогалактика Центавр А посылает в пространство излучение такой силы, что «дыра» должна была бы иметь в десять миллионов раз большую массу, чем Солнце. Газ, порождающий излучение Центавра А, предположительно нагрет до температуры в миллиард градусов. Но прежде чем он раскалится, струн его образуют гигантские спиральные рукава, стягивающиеся к гравитационной ловушке. Их ширина может составлять десятки миллионов километров. Не этим ли объясняется перечеркивающая Галактику черная полоса? Молодой советский астрофизик Р. Сюняев предсказал, что в потоках газа вокруг «черной дыры» должны возникать вспышки пульсирующего рентгеновского излучения. Но телескопы, способные обнаружить эти флуктуации, должны устанавливаться на спутниках и обладать повышенной чувствительностью. ..Решающие эксперименты пока впереди. Так ли уж бесспорно предположение о том, что «черные дыры» «глотают» вещество, а затем взрываются, образуя сверхновые? Эта гипотеза, безусловно, имеет право на существование. Автор статьи Б. Кочетков излагает ее, если можно так сказать, в концентрированном виде, минуя некоторые промежуточные этапы. Справедливости ради следует отметить, что разработаны и другие модели взаимодействия самых таинственных объектов с веществом звезд. Английский астроном Р. Знажек, например, показал, что электрически заряженные частицы могут и не приближаться к «черной дыре», а странствовать неограниченно долгое время по замкнутой орбите вокруг нее. Для этого нужно лишь, чтобы частицы «плавали» в магнитном поле.

Ради простоты и наглядности Б. Кочетков использует понятие «нейтронная жидкость»: ряд специалистов полагают, что именно такой состав имеет внутренняя часть нейтронных звезд и «черных дыр». Это, по-видимому, сверхтяжелая и сверхтекучая жидкость. Разбрызгивание и конденсация — так можно образно передать сущность основных процессов, которые сопутствуют формированию и «рассеянию» странных объектов. Но вряд ли следует сводить феномен коллапсара к столь простой модели. Сжатие горячей звезды может сопровождаться ядерными реакциями. Температура звезды настолько повышается, что гелий дает начало целой цепочке превращений. Образуются углерод, кислород, кремний и другие элементы, вплоть до железа. По мнению советского ученого Л. Гуревича, эти процессы не способны приостановить гравитационное сжатие, ведущее к дальнейшему разогреванию светила. Создаются условия, когда становится возможной диссоциация ядер железа (она ведет к поглощению энергии и падению давления в раскаленных недрах). Звезда может стать непрозрачной для нейтрино — и эти всепроникающие частицы останутся вечными ее пленниками. «Черные дыры» не застывшие и неизменные объекты. Все чаще ученые говорят об их развитии, эволюции. Быть может, они изменяются даже быстрее, чем звезды. Их гигантское поле тяготения согласно теории академика Я. Зельдовича может способствовать рождению элементарных частиц. Другой участник событий при этом — физический вакуум с его виртуальными частицами. Английский ученый С. Хоукинг говорит о «таянии» «черных дыр» на квантовом уровне.

Нет сомнений, что все многообразие явлении, сопровождающих развитие навсегда сокрытых от наших глаз объектов, нельзя свести к «жидкостной» модели. Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что такая модель — лишь одна из попыток «разбудить» коллапсары. Велик был соблазн оставить самые таинственные объекты вселенной застывшими глыбами вещества, и, казалось, гравитационный коллапс давал к тому достаточно оснований, И все же пытливый человеческий ум не смирился с «обреченностью» коллапсаров на вечный покой. Ныне теория эволюции объектов, свет которых никогда не удастся увидеть, разрабатывается многими учеными.

Так лн уж недоступны коллапсары, как это может показаться на первый взгляд? Советский ученый Н. Карда-шёв рассматривал вопрос о полете космического корабля, поставившего целью «достичь недостижимое». Для стороннего наблюдателя, удаленного на значительное расстояние от места событий, такой полет будет выглядеть весьма характерно. Все наблюдаемые процессы и явления будут растягиваться во времени, и тем больше, чем ближе к цели экипаж. Контур же корабля словно размывается, наконец он исчезает из виду вовсе. Для наблюдателя же на корабле ход времени не изменяется. И это вытекает из теории относительности.

Однако дальнейшие события после пересечения гравитационного радиуса останутся навсегда скрыты от посторонних глаз. Экипаж корабля пересечет границу — сферу Шварцшильда незаметно для себя и достигнет центра за конечный и вполне определенный промежуток времени, тем меньший, чем меньше масса коллапсара. Экспедиция рискованная, и не всякий писатель-фантаст отважится послать в подобное путешествие своих героев. «Вероятно, все убеждены, что экипаж погибнет, — замечает Н, Кардашёв, — поскольку в центре имеет место бесконечная плотность и бесконечная температура сжавшейся в точку массы, однако кое-какие новые модели позволяют думать, что он останется в живых». Этот неожиданный вывод ученого опирается на расчет сжатия большой массы, имеющей электрический заряд. Для внешнего наблюдателя корабль исчезнет и никогда не появится снова. Возможно, наше пространство так устроено, что путешествие внутрь коллапсара приведет как бы в иной физический мир. Путешествие в заряженную «черную дыру» эквивалентно машине времени, которая позволяет покрыть бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевать бесконечно большие интервалы времени «в считанные дни и часы». Перед участниками такого беспримерного полета проходит вся история будущего нашей вселенной.

Нет сомнений, что открытие пульсаров, квазаров, нейтронных звезд, предсказание существования коллапсаров значительно обогатило картину мироздания. Обнаружились гигантские тайники вещества и энергии. «Скрытая форма» звездных миров, возможно, окажется сказочным ключом к неведомым пространствам, к волшебной двери, ведущей в новые временные измерения. Не связана ли активность ядра нашей Галактики также с вездесущими (и не обнаруженными пока!) «черными дырами»? Не раскроют ли секрет таинственных объектов ядра других галактик? Американский астроном А. Сендидж на XIV съезде Международного астрономического союза сказал: «Никто из астрономов не стал бы сегодня отрицать, что тайна и в самом деле окружает ядра галактик, и первым, кто осознал, какая богатая награда припрятана в этой сокровищнице, был Виктор Амбарцумян».

Бюраканская астрофизическая обсерватория, возглавляемая В. А. Амбарцумяном, стала общепризнанным центром исследования активности галактических ядер. Взрывы, выбросы газовых струй, излучения — вот своеобразное дыхание ядра. А причины такой активности ясны не вполне. Недавно измерили диаметр источника: он оказался меньше парсека, в десятки тысяч раз меньше радиуса нашей Галактики. Но что собой представляет этот источник, неизвестно. Не спрятан ли в центре Галактики гигантский коллапсар? И не служит ли он энергетическим сердцем

«звезд-нон машины»? Ответы дадут новые исследования.


Назад в раздел

Личный кабинет

Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:

Ссылки

Яндекс.Метрика

Последняя новость

Сайт начал работу в обновленном режиме

22 января 2016

Сайт начал работу в обновленном режиме...
Подробнее

О погоде

Яндекс.Погода