• 5.1 Давление в черной дыре
• 5.2 Край Вселенной
• 5.3 Что такое квазар
• 5.4 Сколько звезд на небе
• 5.5 Галактики сталкивались часто

5. Звезды и Вселенная

5.1 Давление в черной дыре

Вопрос: Какое давление в черной дыре?

Вопрос: Может быть, будет интересно узнать, что теоретически черные дыры открыл еще в 1795 году Лаплас. Таким образом, четыре (или 3?) года назад можно было отпраздновать двухсотлетие физики черных дыр. Лаплас в рамках ньютоновской теории тяготения и корпускулярной теории света показал, что при фиксированной массе гравитирующего тела существует такой радиус тела, при котором скорость убегания равна скорости света, и его кванты-корпускулы не в состоянии покинуть тело и уйти на бесконечность. Этот радиус (где -- постоянная тяготения, -- скорость света, -- масса черной дыры) в терминологии сегодняшней физики называется гравитационным радиусом, а само тело, ``спрятанное'' под гравитационным радиусом называется черной дырой (именно потому, что ни свет и ничто другое не может его покинуть).

Учет более тонких квантовых эффектов говорит нам сегодня, что черные дыры не совсем черные. Они излучают как черное тело с температурой обратно пропорциональной ее массе , где -- постоянная Планка, -- постоянная Больцмана эрг/К, -- масса Солнца.

Но...вернемся к вопросу о давлении! Из общей теории относительности следует, что с точки зрения удаленного наблюдателя, покоящегося относительно черной дыры, сила притяжения, действующая на пробное тело, обращается в бесконечность на гравитационном радиусе. В этом смысле можно было бы думать, что так называемый горизонт событий -- сферическая поверхность вокруг черной дыры, радиус которой равен гравитационному радиусу (вспомним, что свет не может покинуть эту поверхность и поэтому никакая информация о событиях на и под ней нам не доступна - отсюда и название) -- является особой поверхностью в пространстве, на которой обращается в бесконечность не только сила притяжения, но и другие физические величины (достигает бесконечности гравитационное красное смещение света и замедление времени).

В определенном смысле (с точки зрения наблюдателя покоящегося относительно черной дыры) это так и есть. Однако, оказывается, что для наблюдателя свободно падающего на черную дыру (так называемая локально-инерциальная система) ничего особенного на гравитационном радиусе не происходит. А ведь только такой наблюдатель и может провести измерения вблизи гравитационного радиуса. Правда, тайну своих открытий он навеки унесет с собой, так как из под горизонта событий невозможно послать сигнал оставшимся снаружи покоящимся наблюдателям и тем более вернуться назад!

Здесь следует заметить, что то, что мы обычно называем полем тяготения (поле сил тяжести Ньютоновского уравнения тяготения), локально устраняется в системе свободно падающего наблюдателя. И в действительности поле тяготения характеризуется полем так называемых приливных сил. Представьте, что Вы свободно падаете на точечную массу равную, скажем массе Земли и при этом (для определенности) ориентированы ногами вниз. Пока Вы находитесь далеко от массы (скажем на расстоянии 6000км) вы наслаждаетесь состоянием невесомости, хотя сила притяжения на этом расстоянии как раз такая, как на поверхности Земли. Однако, падая все ближе к центру, вы почувствуете беспокойство. Вы начинаете ощущать, что появилась сила, стремящаяся вытянуть вас в длину и в то же время сжать в поперечном направлении.

Появление такой силы понять не сложно: ускорение вашего падения определяется положением центра тяжести вашего тела. Однако Ваши ноги немного ближе к тяготеющей массе и притягиваются чуть сильнее...а голова, соответственно, чуть слабее. В вашей свободно падающей системе координат это приводит к тому, что появляются силы, стремящиеся вытянуть тело вдоль радиуса и сжать его вдоль ортогональных радиусу направлений. Расчет этих сил прост и для Ньютоновской теории не выходит за рамки школьного курса. Поэтому предлагаю этот расчет в качестве самостоятельного упражнения и не привожу здесь.

Вернемся к нашему падающему наблюдателю. Его беспокойство было не напрасным! Он будет разорван приливными силами еще до того, как встретится с нашей ``точечной Землей''. В этом смысле можно сказать, что всякому гравитационному полю соответствует анизотропное поле давления или натяжения приливных сил и именно это натяжение и является истинной мерой гравитационного поля.

Гравитационные волны, для поиска которых сегодня построено несколько весьма чувствительных гравитационных антенн являются как раз волнами приливных сил. Все эти антенны основаны на том, что приливные силы гравитационной волны периодически пытаются сдвинуть или развести две массы, подвешенные свободно или связанные упругой связью.

Оказывается, что с точки зрения свободно падающего на черную дыру наблюдателя поле приливных сил не содержит никаких особенностей на гравитационном радиусе. Оно вполне конечно и регулярно в том смысле, что гладко меняется от точки к точке. Для черной дыры с массой порядка солнечной приливные силы на горизонте событий достаточно велики, а для черной дыры с массой галактики вполне малы по человеческим меркам. Однако в центре черной дыры имеется истинная особенность, где приливные силы обращаются в бесконечность.

Итак: мы выяснили, что любое гравитационное поле можно охарактеризовать полем приливных сил и, в этом смысле, распределенным в пространстве полем натяжений (давлений). Такое давление или натяжение не является свойством исключительно гравитационного поля. Таким образом, можно характеризовать практически любое поле (электромагнитное, поле звуковых волн). Например, в магнитном поле имеется натяжение вдоль силовых линий поля и давление поперек. В инженерной системе это давление равно: . Сегодня легко достижимы поля порядка 1 миллиона гаусс (для сравнения поле Земли 0,7 гаусса). Магнитное давление в системах, создающих такое поле -- 40000 атмосфер!

Теперь поговорим о давлении, характерном именно для черной дыры. В 1948 году Казимир показал, что при наличии границ вакуум перестраивается, и в нем появляются натяжения, которых нет в вакууме пустого бесконечного пространства. В применении к вакууму теории электромагнетизма (электродинамики) это означает, что в пространстве между плоскими параллельными НЕ ЗАРЯЖЕННЫМИ проводящими пластинами (плоский не заряженный конденсатор) возникает притяжение.

Сила притяжения на единицу площади, в отличие от силы притяжения пластин заряженного конденсатора, зависит от расстояния между пластинами: , где -- расстояние между пластинами. Сила очень мала и примерно равна 0,2 дины на квадратный сантиметр при расстоянии между пластинами 0,5 микрона.

Тем не менее, в 1958 году (через 10 лет после предсказания Казимира) Спарнай из лаборатории фирмы Сандия экспериментально подтвердил существование сил Казимира. Оказалось, что силы Казимира существенно зависят от геометрии границы и, например, для границы в виде проводящей сферы возникает не натяжение, а давление.

Вспомним теперь, что черная дыра имеет горизонт событий -- поверхность совершенно непроницаемую наружу. В некотором смысле это тоже граница и в результате в черной дыре возникает казимировское давление вакуума. Это явление сегодня широко обсуждается в физике черных дыр и космологии. Теория очень сложна и решения получены пока для очень простых случаев. Сейчас можно сказать только, что давление казимировского вакуума падает как четвертая степень гравитационного радиуса. Это давление велико только для черных дыр малой массы.

Однако важно другое: казимировский вакуум обладает очень специфическими свойствами, совершенно отличными от свойств обычной материи (полей). Сейчас предполагается, что такой вакуум может стабилизировать так называемые ``кротовые норы'' -- пространственные туннели между двумя удаленными областями пространства (или даже вообще разными пространствами -- Вселенными). Именно такая кротовая нора -- основа широко обсуждаемой нынче машины времени.

Литература: Тимоти Бойер ``Классический вакуум'', журнал ``В мире науки'', 1985, N10, стр.4-13, Д.А.Киржниц ``Горячие черные дыры. Новое в понимании природы теплоты'', ``Соросовский образовательный журнал'', 1997, N6, стр.84-90.

Вариант ответа: Мы не в состоянии послать зонд, внутрь черной дыры для исследования этого вопроса -- мы его просто не дождемся обратно.

5.2 Край Вселенной

Вопрос: Есть ли у вселенной край?

Вселенная либо замкнута (трехмерное подобие мыльного пузыря) -- тогда у нее края нет, либо бесконечна, и тогда края тоже нет. Однако в некоторых космологических моделях имеется так называемый горизонт. Это поверхность, из-за которой наблюдатель не может получить никаких сигналов. Однако горизонт не является физическим краем Вселенной, а пространство на горизонте устроено так же, как и в том месте, где находится наблюдатель.

С другой стороны в настоящее время с помощью внеатмосферного телескопа ``Хаббл'' и радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (приемники излучения разнесены на расстояние 8000 км) астрономы имеют возможность наблюдать объекты, удаленные от нас на 15 миллиардов световых лет. Если общепринятая сейчас гипотеза Большого взрыва верна, а по различным оценкам, это событие произошло 10-20 миллиардов лет назад (многие астрономы считают, что это случилось 17 миллиардов лет назад), то из приведенных цифр видно, как близко к началу Вселенной подошли астрономы-наблюдатели.

После Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, еще миллион лет образовавшееся вещество было непрозрачно для излучения. Похоже, что с помощью электромагнитных волн мы в принципе не узнаем, что было в этот первый миллион лет. Из анализа реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва следует, что вначале жизни нашей Вселенной вещество во Вселенной было распределено равномерно. Различные галактики возникли значительно позже.

Если за край Вселенной принимать расстояние, с которого мы в принципе можем получить информацию, то безусловно, такой край есть и современные методы наблюдения совсем близко к нему подобрались.

Литература: ``Физика космоса'' (маленькая энциклопедия), М., 1986,
С.Миттон, Ж.Миттон "Астрономия", М., 1995.

5.3 Что такое квазар

Вопрос: Что такое квазар?

Квазары -- квазизвездные радиоисточники, внегалактические объекты уникально высокой светимости.

Первый квазар (3С48) был открыт в 1961 году. В результате точного измерения координат компактного радиоисточника, выполненных в 1961 году, источник был отождествлен с уникальным звездоподобным объектом 16 звездной величины, имеющим слабый красный выброс, направленный от источника. Несколько позже были получены спектры этого квазара и выяснилось, что он имеет значительное красное смещение спектральных линий. Это указывало на высокую скорость удаления квазара от нас. Когда было открыто большое число квазаров, выяснилось, что все они имеют значительные красные смещения. Это говорило о том, что природа красного смещения имеет космологический характер и связана с расширением Вселенной, а квазары находятся на космологических расстояниях от нас.

Впоследствии наблюдения на новых больших телескопах и, особенно, на космическом телескопе Хаббла подтвердило, что квазары -- внегалактические объекты. Квазары выделяют чудовищную энергию во всех спектральных диапазонах от радиоволн до сверхжесткого гамма излучения. Достаточно сказать, что детекторы на Земле регистрируют гамма кванты с энергией порядка электронвольт от квазара (обычный видимый свет 2-3 электронвольта), удаленного от нам на расстояние 500 мегапарсек (расстояние до ближайшей звезды порядка одного парсека).

По современным представлениям квазар -- это черная дыра в активном ядре галактики. Во всяком случае, никакая другая модель не может объяснить, как объект размером порядка одного светового часа может излучать мощность эрг/сек, соответствующую аннигиляции порядка одной массы Земли в секунду.

Благодаря огромной яркости квазары видны на огромных расстояниях. Максимальное красное смещение, которое наблюдалось у квазара, около 5. Это значит, что мы видим объект в момент, когда Вселенная была вдвое моложе, чем сегодня.

Исследования, проведенные телескопом Хаббла, показали, что фактически все звездоподобные объекты на небе со звездной величиной ниже 23 -- квазары.

Литература: "Физика космоса", М., Советская энциклопедия, 1986, стр. 295-296.

5.4 Сколько звезд на небе

Литература: С.Данлоп ``Азбука звездного неба'', М., ``Мир'', 1990, Г.Рей ``Звезды'', М., ``Мир'', 1969.

5.5 Галактики сталкивались часто

Когда относительно небольшая галактика пролетает сквозь центральную область спиральной галактики, гравитационное ударное воздействие превращает спиральный узор в простое кольцо. В известной мере это напоминает падение камня в пруд, порождающее кольцеобразные волны -- круги на воде.

До сих пор считалось, что кольцевые галактики -- явление относительно редкое. Однако астрофизик Р.Лавери (R.Lavery; Университет штата Айова, Эймс, США), наблюдая с помощью Космического телескопа им. Хаббла область Вселенной, удаленную от нас на 8 млрд. световых лет, обнаружил вдесятеро больше кольцеобразных галактик, чем ожидалось.

По-видимому, в отдаленные времена столкновения галактик друг с другом были куда более частым явлением, чем ныне. Это укрепляет гипотезу, согласно которой крупные эллиптические галактики образуются при столкновениях спиральных.

Литература: ``New Scientist'' 1999. V.161. N2169. P.23 (Великобритания).