Глобальная Энергия Вселенной: Черные Дыры

Солнце — это наш ежедневный источник света и энергии. Сколько энергии излучает само Солнце? Эта величина давно известна. Один квадратный сантиметр земной поверхности за минуту получает почти 2 калории. Эта величина легко измеряется экспериментально. Из этой величины определяется полная мощность излучения Солнца, которая равна 3,8·10³³ эрг/сек. С каждого квадратного сантиметра солнечной поверхности излучается около 6 киловатт. Солнце — это грандиозный источник энергии: оно дает тепло всем живущим на Земле.

Но откуда у Солнца такое грандиозное количество энергии? Почему светит Солнце? Наука прошлых веков не знала ответов на эти вопросы. Проблема солнечной энергии начала активно обсуждаться в середине XIX веке. Гельмгольц - автор закона сохранения энергии пытался решить эту проблему.

В 1854 года Гельмгольц предположил, что гравитационное сжатие Солнца является источником его энергии. Но “возраст” Солнца в этой модели оказался равным 20 миллионам лет. В действительности, эта величина в сотни раз больше. Только часть энерговыделения звезд может быть объяснено гравитационным сжатием. Этот источник может оказаться основным лишь на определенных этапах звездной эволюции (катастрофический коллапс). Для объяснения энергетики нашего Солнца нужно было искать другой источник энергии.

“Трансурановое” Солнце. В конце ХIХ века было открыто явление естественной радиоактивности. Самопроизвольное выделение энергии при радиоактивном распаде навело ученых на мысль, что подобный процесс, но в больших масштабах мог бы происходить и на Солнце.

В 1926 году известный астроном Джинс предположил, что энергия в звездах освобождается за счет радиоактивного распада трансурановых элементов. Это произошло задолго до того времени, когда физики пришли к мысли о возможности значительных выделений ядерной энергии на Земле. Таким образом, идея атомной энергетики родилась в астрономии из размышлений о природе космической энергии.

Дальнейшие исследования подтвердили идею ядерного источника звездной энергии. Но, как выяснилось позже, выделение энергии в звездах происходит не в результате распада атомных ядер, а в процессе их синтеза.

Водородные бомбы в космосе . Идея рождения звездной энергии в процессе синтеза атомных ядер была высказана еще в 1914 году. Эддингтон, Джинс и многие другие ученые высказали независимо эту идею. Но теоретических и экспериментальных доказательств этой идеи не было тогда.

В 1938 году Г. Гамов и Э. Теллер (будущий “отец” водородной бомбы) пересмотрели исследования по термоядерному реакциям в звездах с учетом новых экспериментальных и теоретических данных. Они получили результаты, которые убедительно говорили о термоядерных реакциях синтеза в звездах.

Таким образом, Теллер разрабатывал идею о термоядерных реакциях в звездах задолго до создания водородной бомбы. Ученый увидел в звездных термоядерных топках прообраз водородной бомбы на Земле.

Дальнейшие научные исследования убедительно доказали возможность термоядерных реакций в центральных областях звезд. Идея термоядерного источника энергии звезд получила широкое признание. Модели звездной эволюции, которые были созданы на ее основе идеи термоядерного источника энергии звезд, привели к выводу о существовании черных дыр.

Гравитационные могилы на кладбище звезд. Как и все в мире, звезды рождаются, живут и умирают. Начало горения ядерного топлива означает рождение звезды. В активный период своей жизни, который длится миллиарды лет, она излучает энергию за счет ядерного топлива. Тепловое давление противостоит сжатию звездного вещества. Это давление поддерживается энергией термоядерных реакций.

Запасы ядерного горючего огромны, но не бесконечны. Когда запасы ядерного горючего исчерпаются, звезда “умрет” и образуется звездный “труп” - постзвезда (после-звезда ). Белые карлики и нейтронные звезды являются постзвездами.

Постзвезды имеют только один путь изменений: увеличение своей массы за счет падения межзвездного вещества на их поверхность. Когда масса постзвезды превысит определенный предел (две-три солнечные массы), она сожмется и превратится в черную дыру.

Итак, звездные объекты рождаются, долго и активно живут (звезды) и, наконец, умирают (постзвезды). Рано или поздно звездные “трупы” (постзвезды) оказываются “захороненными” в “гравитационных могилах” (черные дыры). Гравитационный саркофаг закрывается и образуется космическая могила - черная дыра.

Нейтронные звезды – родственники черных дыр. Нейтронные звезды весьма необычные объекты Вселенной. Их размеры - порядка десяти километров, плотность вещества - сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Пульсары (источники строго периодического излучения) являются вращающимися намагниченными нейтронными звездами. Они были открыты в 1967 году. В 1974 году английский ученый Э. Хьюиш получил Нобелевскую премию за открытие пульсаров. В 1992 году американские ученые Дж. Тейлор и Р. Халс получили Нобелевскую премию за дальнейшие исследования пульсаров. Открытие нейтронных звезд - наиболее близких космических родственников черных дыр – убедило научную общественность в реальности черных дыр.

Нейтронные звезды - это последний этап в эволюции звездной материи на ее пути в черные дыры. Размеры и плотности вещества этих объектов наиболее близки. Если нейтронная звезда наберет должную массу, то образуется дыра в пространстве-времени.

Черные дыры поражают воображение: они останавливают время, пленяют свет, образуют дыры в самом пространстве. Даже свет становится узником гравитационного саркофага.

Около миллиарда черных дыр насчитывается только в нашей Галактике. В настоящее время астрофизики привлекают черные дыры для объяснения загадочных явлений довольно часто. Физика и астрофизика черных дыр получили широкое признание научной общественности.

В 1983 году американский ученый С. Чандрасекар получил Нобелевскую премию за исследования по эволюции звезд. Он первым высказал мысль о неизбежности образования черных дыр в результате звездной эволюции. Что же такое черные дыры? Простое определение черных дыр дать не просто.

В науке часто встречаются понятия, имеющие аналоги и в обыденной жизни: “потенциальная яма”, “гравитационная могила”, “струна”, “черная дыра”, “белая дыра”... Дыра в обыденном смысле означает отсутствие чего-то: отсутствие части ткани в одежде, части бумаги в листе бумаги, части стены в стене. Дыра - это ничто в окружении чего-то.

Классическая черная дыра является абсолютно поглощающим объектом: она только вбирает в себя вещество и излучение, но ничто не может вырваться из нее. Даже свет оказывается гравитационным узником черной дыры. Образование черных дыр во Вселенной означает локальное изменение топологических свойств пространства-времени. Но необычные свойства пространства-времени отонов не обсуждаются в данной книге.

Земные черные дыры это микроскопические объекты, обладающие громадной гравитационной массой. Земные черные дыры - гравитационные “точки”, точечные гравитационные массы. Они имеют массы от тысячи тонн до миллиарда миллиардов тонн.

Для понимания черных дыр имеет большое значение так называемый гравитационный радиус, который определяет размеры дыр. Гравитационный радиус Солнца равен 3 километрам. Гравитационный радиус Земли равен одному сантиметру.

Плотность вещества черной дыры обратно пропорциональна квадрату массы: чем больше масса, тем меньше плотность. Плотность черной дыры, имеющей солнечную массу, больше плотности ядерного вещества. Плотность черной дыры, которая имеет массу Галактики, намного меньше плотности воздуха. Внутреннее состояние вещества таких отонов описывается уравнением состояния идеального газа. В общем случае, черные дыры не имеют особых состояний вещества. Главное то, что космическая материя образует пространственно-временную дыру.

Пространство разорвано. Время остановлено. Свет пленен. Сфера, описанная гравитационным радиусом, называется сферой Шварцшильда. Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временная координата обращается в нуль (время остановлено), а пространственная - в бесконечность (пространство разорвано). Гравитационный радиус (а, следовательно, и сфера Шварцшильда) определяется одной величиной - массой, то есть телу с определенной массой должен соответствовать конкретный гравитационный радиус. Материя черной дыры находится под сферой Шварцшильда.

Открытие таинственных отонов. Черные дыры известны в науке и под другими названиями: гравитационная могила, коллапсар, отон. Различные свойства и особенности черных дыр нашли отражение в этих названиях. В термине “коллапсар” отражен процесс образования черных дыр, которые рождаются из вещества звезды в результате катастрофического сжатия - коллапса. Термин “отон” обозначает самые различные дыры в пространстве-времени, в частности, белые и серые дыры.

Всем отонам присуще одно общее свойство - они являются дырами в пространстве-времени. Термин “отон” введен Я. Б. Зельдовичем и И. Д. Новиковым в книге “Теория тяготения и эволюция звезд” в 1971 году. Отоны - это объекты, размеры которых равны гравитационному радиусу. Черные, белые и серые дыры есть отоны. В книге термин "отоны" используется иногда, как синоним термина “черные дыры”.

Отоны известны и под другими названиями: мосты, кротовые норы, дыры. Термин “мост” впервые употребляется в научной статье А. Эйнштейна и Н. Розена в 1935 году. В их теории появились два бесконечных пространства (“листа”), которые соединялись пространственно конечным мостом, то есть мостом между двумя бесконечными пространствами (мирами).

Когда появился сами термин “дыра”? Этот термин использовал впервые в 1959 году советский ученый М. Ф. Широков, который писал: “Эйнштейн и Розен назвали такого рода образования “мостами”. Нам кажется, что их лучше называть “дырками” в пространстве”. Позже данный термин стал применяться другими учеными. Та часть дыры, в которую материя втекает, была названа черной дырой Дж. Уилером в лекции, которая была прочитана для Американской ассоциации прогресса науки 29 декабря 1967 года. Один из разделов лекции так и назывался: “Черная дыра”. Имеются и другие отоны.

Белые и серые дыры. Белая дыра есть объект, который противоположен черной дыре. Материя белой дыры выталкивается и рассеивается в пространстве. Если вещество не сжимается, а расширяется из-под сферы Шварцшильда, то данный объект является белой дырой. Серые дыры объединяют свойства черных и белых дыр.

Термин “белая дыра” появляется на симпозиуме по релятивистской астрофизике в 1969 году. Известный английский ученый Р. Пенроуз выступил на этом симпозиуме с докладом “Черные дыры и белые дыры”. Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в 1971 году вводят понятие “серая дыра”.

Природа образования массивных черных дыр понятна сейчас. Массивные звезды, расходуя свое ядерное горючее и сжимаясь, обязательно должны достичь своего гравитационного радиуса и превратиться в черные дыры. Чтобы черная дыра образовалась таким путем, масса звезды должна быть, как минимум, в два раза больше массы Солнца. Сила гравитации менее массивного тела недостаточна для образования черной дыры. Но как же образуются черные дыры малых масс?

Большой Взрыв . Советский ученый А. А. Фридман в 1922 году сделал одно из самых замечательных открытий в истории астрономии: теоретически предсказал грандиозное явление - расширение всей видимой Вселенной. Нестационарная, расширяющаяся, взрывающаяся Вселенная!.. Это был невероятный вывод для науки того времени, когда неизменность Вселенной казалась незыблемым научным фактом.

В XIX веке другие галактики не представлялись грандиозными звездными мирами. Даже в сильные телескопы они казались туманными пятнышками. Только в 20-е годы XX века американский астроном Э. Хаббл обнаружил в этих туманностях отдельные звезды. Он обнаружил, что многие туманности находятся далеко за пределами нашей Галактики и являются громадными звездными системами.

В 1929 году Э. Хаббл обнаружил эффект разбегания галактик: чем дальше находится галактика, тем больше скорость ее удаления. Бельгийский ученый Ж. Леметр отождествил эффект разбегания галактик с расширением Метагалактики - расширяющейся системы галактик. Метагалактика - это наблюдаемая часть Вселенной.

Он сделал вывод о том, что мир образовался из сверхплотной материи в результате Большого Взрыва. Время расширения наблюдаемой Вселенной от момента Большого Взрыва равно величине 15-20 миллиардов лет. Это и есть возраст Метагалактики.

Пустыни пространств наполняются светом. В 1946 году американский физик Г. Гамов высказал идею о большой начальной температуре Метагалактики, т.е. идею “горячей Вселенной”. Эта модель позволила предсказать реликтовое излучение Вселенной. Оно является “живым свидетелем” начального, плотного и горячего состояния Метагалактики.

В 1965 году американские радиофизики А. Пензиас и Р. Уилсон обнаружили необъяснимый равномерный радио‑шум . Астрофизик Дикке интерпретировал этот радиоизлучение как реликтовое излучение. Открытие реликтового излучения стало экспериментальным доказательством теории горячей Вселенной. В 1978 году Нобелевская премия была присуждена американским ученым А. Пензиасу и Р. Уилсону за открытие реликтового излучения.

Мы живем в эпоху вещества, которая началась всего через один миллион лет от начала Большого Взрыва. В начале этой эпохи вещество стало нейтральным и прозрачным для излучения. Реликтовое излучение отделилось от вещества.

Ночное безлунное небо кажется нам темным и пустым пространством, в котором имеются лишь отдельные светящиеся точки - звезды. Известный английский астрофизик Дж. Джинс говорил, что “Вселенная состоит в целом не из звезд, а из безнадежной пустоты, из непостижимо огромных пустынь пространств”.

Открыв реликтовое излучение, человечество смогло “увидеть” излучение, которое пронизывает все пространство. Подобно тому, как все на Земле погружено в воздушный океан (атмосферу), так и вся Вселенная погружена в океан реликтового излучения. “Пустынь пространств” во Вселенной нет.

В любом кубическом сантиметре Вселенной, в том числе и в человеке, в любое мгновение находятся тысячи реликтовых фотонов, гравитонов и нейтрино. В любое мгновение человека пронзают 100 миллионов частиц. Но энергия частиц ничтожна, а поэтому человек не ощущает реликтового излучения. Оно не сказывается на самочувствии человека. Но другие осколки Большого Взрыва смертельно опасны для человека.

Осколки Большого Взрыва: первичные черные дыры. В 1964 году И. Д. Новиков, а затем в 1965 году Ю. Нееман высказали идею о так называемых задержавшихся ядрах - осколках Большего Взрыва. В 1967 году Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков, а затем в 1971 году С. Хокинг предложили второй вариант происхождения черных дыр, которые образуются из неоднородностей вещества на ранних этапах расширения Метагалактики.

Подобные отоны получили название реликтовых (первичных) черных дыр. Реликтовые черные дыры - осколки Большого Взрыва. Осколки суперплотной материи и есть первичные черные дыры. Эти отоны могут иметь любые массы. Возможны ли черные дыры иного происхождения?

Космические динозавры: черные дыры из других миров. Возможно существование черных дыр третьего типа. Это черные дыры из других отонных миров (метагалактик, из параллельных пространств). Идея отонных миров была высказана в 1973 году. Отонные черные дыры являются универсальными центрами образования (зародышами) космических тел (комет, планет, спутников планет, звезд). Какую роль играют черные дыры во Вселенной?

Новая энергия Вселенной. (на верх)

Какую часть космической материи составляют черные дыры? Есть так называемая проблема скрытой массы Вселенной или, как ее иначе называют, парадокс масс. Чтобы скопления галактик были устойчивыми, их масса должна быть в сотни раз больше той массы, которая определена в наблюдениях. Наблюдаемые формы материи в скоплениях галактик составляют лишь небольшую часть их общей массы, которая находится в скрытой форме. Черные дыры идеальные кандидаты на роль скрытой массы.

Основная часть масса Метагалактики (90 - 99 %) сосредоточена не в звездах и галактиках, а в черных дырах. Ранее астрономия исследовала лишь небольшую часть космической материи, а ее основная часть оставалась скрытой от научного познания. Теперь наука исследует “скрытую” массу Вселенной.

Черные дыры проявляются порой весьма активно. В начале шестидесятых годов XX века были открыты квазары. Полная мощность излучения квазаров в тысячи раз превосходит мощность излучения галактик. Но размеры галактик в миллионы раз превосходят размеры области квазаров, из которой исходит основная часть излучения.

Модели на основе массивных черных дыр были предложены для объяснения громадной мощности квазаров излучения. Сверхмассивные черные дыры называют иногда черными безднами. Если в окружении черных бездн оказывается большое количество космического вещества, то они превращаются в грандиозные космические генераторы энергии.

Сейчас ученые связывают черные дыры с различными астрофизическими объектами, которые имеют необычно большие энерговыделения . Проблема же источников энергии существует не только в астрофизике объектов далекого космоса, но и в физике планет и Солнца.

Загадка солнечных нейтрино: почему же светит Солнце? Проблема источника энергии звезд и Солнца, казалось бы, была решена на основе ядерного источника энергии. Но когда с помощью нейтринного телескопа заглянули в ядерную топку Солнца, то выяснилось, что ядерные реакции могут объяснить лишь половину солнечной энергии. Регистрация потока солнечных нейтрино свидетельствовала об этом.

Значительное расхождение было между предсказаниями стандартных солнечных моделей и величиной потока солнечных нейтрино, который регистрировался в экспериментах Р. Дэвиса. Модель термоядерного источника энергии оказалась способной объяснить лишь часть энерговыделений Солнца. Для объяснения всей суммы энерговыделений Солнца необходимо было привлечь другие источники энергии.

Черная дыра в Солнце. В 1971 году Хокинг высказал идею о черной дыре в центре Солнца. Он считал черную дыру “причиной того, что поток нейтрино от Солнца не совпадает с предсказываемым потоком”. В дальнейшем эта идея получила развитие в работах Д. Клейтона, М. Ньюмена, Р. Талбота и других ученых.

Расчеты показали, что половина солнечной энергии может выделяться за счет падения вещества на черную дыру. Эта модель Солнца дает такую величину потока солнечных нейтрино, которая регистрировалась в нейтринных экспериментах. Хотя черные дыры и играют значительную роль в энергетике Солнечной системе, но они занимают очень маленький объем.

Планеты на ладони. Если бы Солнце и планеты превратились в черные дыры, то они заняли бы не много места. Солнца заняло бы объем города. Юпитер занял бы объем двухэтажного дома. Все остальные тела Солнечной системы поместились бы в комнате. А планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) поместились бы на ладони. Представьте читатель, что у Вас на ладони все ближайшие планеты. Луну же трудно будет рассмотреть: ее размер меньше толщины волоса.

Отоны в планетах. Черные дыры, которые имеют еще меньшие размеры, обнаруживают себя на планетах. Энергетика планет-гигантов и грандиозная вулканическая активность на Ио связаны с черными дырами.

Планетные черные дыры могут проявлять себя в форме гравитационных аномалий. Гравитационные аномалии есть на Земле. Более значительные гравитационные аномалии были обнаружены на Луне и Марсе. Гравитационные аномалии на Луне (масконы) намного большие, чем на Земле. Наибольшая гравитационная аномалия обнаружена на Марсе.

Грандиозные взрывы планет происходят в результате выделения громадной энергии при столкновениях черных дыр. Кольца планет, пояс астероидов между Марсом и Юпитером и другие малые тела Солнечной системы являются остатками взрывов, происходящих в результате столкновений черных дыр. Этот вопрос рассмотрен подробней в восьмой главе.

Д. Клейтоном, М. Ньюменом и Р. Талботом высказали идею о том, что планетная черная дыра ответственна за высокую светимость Юпитера. М. Д. Фогг высказал оригинальную идею об использовании черных дыр при создании спутников планет. Ближайшие к Земле космические черные дыры являются невидимыми спутниками нашей Планеты.

Черные дыры - спутники Земли. Различные отонные спутники Земли существуют в околоземном пространстве. Наиболее массивные черные дыры имеют наиболее длинные орбиты. Отонные спутники с лунно-земных орбит пересекают земную поверхность в 100 раз реже, чем околоземные черные дыры.

Повышенный поток отонов может быть в плоскости лунной орбиты. Это объясняет "мистическим" характер воздействия Луны на человека. Но наибольшее воздействие на людей, естественно, оказывают земные черные дыры.