Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 12

Так называемые звездные черные дыры – это остатки мертвых звезд. Обычно они не больше Боденского озера[8] и содержат массу от трех до ста солнц. (Масса Солнца эквивалентна примерно двум миллиардам миллиардов миллиардов тонн, что в 330000 раз больше массы Земли.) Астрономы обнаружили несколько десятков черных дыр в Млечном Пути и соседних галактиках. Обычно они являются невидимым компаньоном в двойной звездной системе. Массу невидимого компаньона можно рассчитать на основе измеренного движения нормальной звезды.

Звездные черные дыры имеют радиус от десяти до 300 километров. Некоторые из них вырастают в черные дыры среднего размера, поглощая газ, пыль и целые звезды. Их массы составляют от 100 до миллиона масс Солнца, а радиусы – от 300 до трех миллионов километров. Поэтому многие из них больше Солнца.

Звездные черные дыры действительно легче по сравнению со сверхмассивными черными дырами. Они имеют массу от нескольких миллионов до десяти миллиардов масс Солнца и более и расположены в центре почти каждой галактики. Имея радиус от трех миллионов до 30 миллиардов километров, они могут достигать размеров Солнечной системы. Поскольку на заре существования Вселенной они поглотили невероятное количество материи за короткий промежуток времени, они очень быстро выросли. Это привело к выбросу невероятного количества излучения, которое и сегодня можно наблюдать в телескопы в виде ярких центров молодых галактик на расстоянии миллиардов световых лет. Яркость этих квазаров[9] больше яркости Солнца примерно в 4 триллиона раз. Говоря земным языком, если бы галактика была такой же маленькой, как Берлин, ее активный центр был бы размером с пылинку на Бранденбургских воротах, но эта пылинка сияла бы так же ярко, как все огни большого города, вместе взятые.

Черные дыры – это одновременно и всеразрушаю-щие воронки, и источники колоссального выброса энергии. Когда они поглощают материю, в окружающую среду выбрасывается огромное количество радиации.

Кроме того, создаются интенсивные потоки частиц, которые формируются магнитными полями и часто ускоряются почти до скорости света. Эти потоки обычно выбрасываются далеко в космос, они могут нагревать газовые облака, закручивать их и даже увеличивать или уменьшать скорость образования новых звезд. Это делает черные дыры необычайно креативными: хотя даже самые массивные из них в центрах галактик не могут вырасти больше нашей Солнечной системы, они формируют свое окружение на протяжении тысяч световых лет и таким образом оказывают решающее влияние на развитие своих родительских галактик. Это поразительно, поскольку соотношение размеров галактики и ее темного сердца сопоставимо с соотношением размеров Земли и одного человека.

Коллапс в бездонную яму

Звездные черные дыры являются результатом чрезвычайно бурных процессов в космосе: взрывов выгоревших звезд. Судьба звезд зависит от их массы и состава. Когда их «топливо» заканчивается, они сначала сильно раздуваются, а затем разрушаются. Это происходит тем быстрее, чем больше или тяжелее звезда; лишние расходы приводят к более быстрому разрушению.

Звезды с массой ниже критического предела, то есть легче 1,4 солнечной массы, в конечном итоге сжимаются, образуя белую карликовую звезду. То же самое произойдет и с Солнцем, но только через 7 миллиардов лет, после того как оно, превратившись в красного гиганта, поглотит планеты Меркурий, Венеру и Землю. Белые карлики – то есть «голые» ядра звезд – ненамного больше Земли, но гораздо массивнее. Они имеют плотность более тонны на кубический сантиметр и состоят из так называемой вырожденной материи, в которой атомные ядра сжаты вместе, а свободные электроны прижаты к ним. Наиболее известными примерами белых карликов являются звезды Сириус В и Процион В.

Эволюция звезд зависит главным образом от их массы.

Гигантские звезды, масса которых более чем в 8 раз превышает массу нашего Солнца, взрываются после того, как раздуваются до размеров красных гигантов. За несколько минут они выделяют больше энергии, чем все мирно светящиеся звезды во всей галактике. Такой мощный взрыв называется сверхновой. Внешние слои выгоревшей звезды выбрасываются в космос со скоростью около 1000 километров в секунду. Обломки обогащают космический круговорот материи и могут служить сырьем для образования новых звезд и планет. Земля также частично возникла из пепла таких звездных взрывов. А в метеоритах – камнях, упавших с неба – ученые даже обнаружили следы элементов нескольких сверхновых, остатки которых вошли в состав первичных тел, из них 4,6 миллиарда лет назад образовалась наша Солнечная система.

Однако не вся материя выбрасывается в космос во время взрыва сверхновой. Ядро звезды разрушается под действием собственной гравитации и образует чрезвычайно плотные, компактные остатки. В большинстве случаев это так называемая нейтронная звезда. Как следует из названия, она состоит в основном из электрически нейтральных частиц – нейтронов. Они образовались тысячами, когда электроны были «втолкнуты» в протоны во время ядерного коллапса. Нейтронные звезды имеют диаметр всего около 20 километров и настолько плотны, что чайная ложка их вещества весила бы более 100 миллионов тонн. Весь объем воды пяти Великих озер между Канадой и США можно было бы легко уместить в кухонной раковине, если бы он был сжат так же, как вещество нейтронной звезды.

Если масса ядра звезды превысит определенную величину, коллапс нейтронной звезды не остановится. Даже сильное взаимодействие – самая мощная сила природы, существующая только в субатомном мире – не может противостоять гравитации. Его невозможно остановить, и коллапс материи приводит к бездонной яме: образуется черная дыра. Минимальная масса составляет около трех масс Солнца. Однако масса звезды-прародительницы должна превышать 40 солнечных масс, поскольку большую часть своего вещества она выбрасывает в космос: сначала в виде звездного ветра, а затем при взрыве сверхновой.

Черные дыры представляют собой максимальные уплотнения материи. Больше массы невозможно сконцентрировать в заданном объеме. Размер черной дыры (если она не вращается и не заряжена) зависит только от ее массы m и может быть рассчитана с помощью формулы, выведенной Карлом Шварцшильдом в 1916 году как часть общей теории относительности. Радиус Шварцшильда Rs, названный в его честь, рассчитывается следующим образом: Rs=2Gm/c2, где G – гравитационная постоянная Ньютона, ас – скорость света. Таким образом, для любого объекта, масса которого известна, можно рассчитать, насколько малым он будет, если превратится в черную дыру. Радиус Шварцшильда Солнца составляет чуть менее трех километров, а