Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Свойства вещества во внутреннем ядре известны крайне плохо. Плотность там в несколько раз превосходит ядерную. Основные обсуждаемые гипотезы включают в себя появление гиперонов, образование пионного или каонного конденсата, появление кварковой материи.

Глава 7

Черные дыры

Формально черные дыры пока еще остаются гипотетическими объектами. Однако в настоящее время получено множество научных данных по самым разным астрономическим источникам (в первую очередь речь идет о массивных объектах в центрах галактик, а также об аккрецирующих компактных объектах в двойных системах), которые объясняются только в рамках этой модели. Поэтому с астрофизической точки зрения можно считать, что черные дыры существуют, хотя ряд вопросов о деталях их физических свойств остается открытым.

Массы известных кандидатов в черные дыры лежат в широком диапазоне: от 3–5 масс Солнца (объекты в тесных двойных системах) до десятков миллиардов масс Солнца (сверхмассивные объекты в галактических центрах).

Большое количество самых разнообразных данных (от радио- до гамма-диапазона) по этим объектам недавно было дополнено обнаружением гравитационно-волновых всплесков от слияний черных дыр звездных масс.

7.1. Природа черных дыр. Коллапс

Фундаментальные свойства черных дыр делают их самыми загадочными объектами в природе. Черную дыру можно определить как область, которую из-за сильного искривления пространства-времени не может покинуть никакой сигнал. Границу черной дыры называют горизонтом. Упрощая, можно сказать, что это поверхность невозврата, даже световые лучи, попав под горизонт, не могут выйти наружу. Такое понимание черных дыр возникло около 100 лет назад после появления общей теории относительности.

Общая теория относительности создана Альбертом Эйнштейном в 1915 г. Математические аспекты теории были одновременно и независимо разработаны Давидом Гильбертом.

В XVIII в. Джон Мичелл (John Michell) и Пьер-Симон Лаплас обсуждали возможность существования тел, на поверхности которых вторая космическая скорость начинает превосходить скорость света, и поэтому они «будут черными». Однако такая наивная концепция далека от современного понимания природы черных дыр, которое начало формироваться благодаря работам Карла Шварцшильда (Karl Schwarzschild) непосредственно после создания общей теории относительности. Затем развитие представлений о черных дырах продолжилось уже в конце 1950-х – начале 1960-х гг., в первую очередь после работы Давида Финкельштейна (David Finkelstein), в которой была рассмотрена природа горизонта событий. Открытие квазаров, нейтронных звезд, а затем и первых кандидатов в черные дыры придало дополнительную мотивацию теоретическим работам.

Термин «черная дыра», по всей видимости, первой использовала Энн Эвинг (Ann Ewing) еще в 1964 г., через несколько лет это словосочетание стало популярным благодаря Джону Уилеру (John Wheeler), а в начале 1970-х гг. термин стал общепринятым.

В природе черные дыры в первую очередь должны образовываться в результате коллапса звезд (этот процесс идет и в наши дни). Неизбежность коллапса была продемонстрирована в 1939 г. в работе Роберта Оппенгеймера (Robert Oppenheimer) и Георгия Волкова (George Volkoff) на основе статей Ричарда Толмена (Richard Tolman) и Льва Ландау. Первую реалистичную модель коллапса пылевого облака рассчитали в 1939 г. Роберт Оппенгеймер и Гартланд Снайдер (Hartland Snider).

Джон Мичелл (1783) и Пьер-Симон Лаплас (1796) независимо друг от друга высказали идею о существовании плотных массивных объектов, которые будут черными, поскольку свет не сможет их покинуть.