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

Две главные особенности черных дыр – горизонт событий и сингулярность. Горизонт событий иногда представляют как мембрану, проницаемую лишь в одну сторону. С точки зрения удаленного наблюдателя, падающему предмету для достижения горизонта требуется бесконечное время. Кроме того, по мере приближения к нему все заметнее становится эффект гравитационного красного смещения. Однако, с точки зрения падающего наблюдателя, все происходит за конечное время, причем локальными экспериментами он никак не может установить момент пересечения горизонта – сам горизонт является не физической, а лишь координатной особенностью.

Размер горизонта в метрике Шварцшильда определяется простой формулой, является сферически симметричным и зависит (линейно) только от массы. В более сложных метриках (для вращающихся и/или заряженных черных дыр) возникает несколько критических радиусов.

А вот сингулярность является в ОТО истинной особенностью. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) и Стивен Хокинг (Stephen Hawking) доказали неизбежность формирования сингулярностей в рамках ОТО. Любой объект, попавший под горизонт событий, попадает в сингулярность, и расчет его дальнейшей судьбы пока невозможен. В решении Шварцшильда (невращающейся незаряженной черной дыры) сингулярность является точечной, а в случае вращающихся черных дыр – кольцом. В некоторых, пока неподтвержденных, теориях (например, петлевой квантовой гравитации) удается избавиться от сингулярностей. В других моделях сингулярности приобретают интересные дополнительные свойства.

В астрофизике выделяют несколько типов черных дыр. Это, во-первых, первичные черные дыры – гипотетические объекты, возникающие в ранней Вселенной. Во-вторых, черные дыры звездных масс, являющиеся продуктами эволюции массивных звезд (существуют десятки кандидатов в такие объекты). В-третьих, сверхмассивные черные дыры. Наконец, выделяют также класс черных дыр промежуточных масс (между звездными и сверхмассивными), которые были придуманы в качестве гипотезы, объясняющей свойства так называемых ультрамощных рентгеновских источников.

Радиус Шварцшильда – это радиус горизонта событий для невращающейся незаряженной черной дыры.

Черные дыры удается наблюдать благодаря аккреции, гравитационным эффектам (от простого вращения объектов вокруг черных дыр до гравитационного линзирования), а также за счет испускания гравитационных волн двойными черными дырами.

Согласно гипотезе о космической цензуре, все образующиеся сингулярности должны быть закрыты горизонтом.

В нашей Галактике должно существовать около 100 млн черных дыр звездных масс (соответственно, ближайшая одиночная черная дыра должна находиться на расстоянии порядка 100 световых лет от нас). Большую часть этих объектов крайне трудно наблюдать. В настоящее время есть несколько случаев наблюдения гравитационного микролинзирования, которые можно объяснить линзированием на черных дырах, а также несколько десятков надежных кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах.

7.2. Кандидаты в черные дыры в тесных двойных системах

В настоящее время основные кандидаты в черные дыры звездных масс находятся в тесных двойных системах. Это связано с тем, что наличие близкого компонента делает возможным как появление яркого (обычно рентгеновского) источника за счет аккреции, так и определение параметров компактного объекта, дающее возможность идентифицировать его в качестве кандидата в черные дыры.

Выпадение вещества на черную дыру может происходить как без выделения энергии (аккреция пыли), так и с выделением большого количества энергии, достигающей 42 % от максимально возможного значения, равного mc2 (такое происходит при аннигиляции). Поэтому аккреция на максимально вращающуюся черную дыру является вторым по эффективности механизмом выделения энергии в природе и уступает лишь аннигиляции. Учитывая, что количество антивещества крайне ограничено, аккреция на черные дыры является самым эффективным способом выделения энергии среди широко распространенных.

Аккреция – процесс выпадения вещества на массивный объект, происходящий в основном за счет гравитационного притяжения.

Если падающее на черную дыру вещество образует так называемый аккреционный диск, за счет вязкости оно разогревается до высоких температур, что приводит к выделению большого количества энергии. Теория дисковой аккреции начала активно развиваться в начале 1970-х гг. в классических работах Николая Шакуры, Рашида Сюняева, Игоря Новикова и Кипа Торна.

Полость Роша – область вокруг звезды, в которой ее гравитация контролирует движение легких тел.