Черные дыры. Гравитационные и электростатические силы. Жизнь звезд. Гравитационный коллапс и сверхновая

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

'Гравитационные силы исчезающе малы по сравнению с электростатическими: например, для двух протонов они слабее в 1,23-10³⁶ раз, а для электронов— в 10⁴³ раз. Тем не менее существуют объекты, гравитационное действие которых настолько сильно, что подавляет все остальные их свойства. Такие объекты получили название «черные дыры».

Понятие черной дыры тесно связано с понятием скорости убегания, т. е. наименьшей скорости, необходимой для преодоления гравитационного притяжения определенного тела. Эту скорость нетрудно оценить из закона всемирного тяготения: u²==2MG/R, где М и R — масса и радиус тела, для которого определяется скорость убегания, G — гравитационная постоянная, равная 6,685. 10^-11 м³/кг-с².

Скорость убегания может служить характеристикой устойчивости материальной системы, компоненты которой удерживаются вместе гравитационными силами. Чем большей скоростью убегания характеризуется данный космический объект (газовое облако, планета, звезда, Солнечная система, галактика), тем труднее телам или частицам преодолеть («убежать») его притяжение. Например, вследствие своей высокой поверхностной температуры Солнце теряет таким образом массу, равную всего лишь 100—1000 кг/с.

Скорость убегания на поверхности Луны приблизительно равна 2400 м/с; это означает, что если сообщить какому-либо телу на поверхности Луны скорость, равную (или превышающую) эту величину, то оно безвозвратно уйдет в космическое пространство. Для Солнца и ==620 км/с, а для Земли — примерно 11 км/с;

последняя величина известна в космонавтике как вторая космическая скорость '.

Из приведенной формулы следует, что с уменьшением размеров любого тела (при неизменной массе) присущая ему скорость убегания возрастает и при так называемом радиусе Шварцшильда R_ш = 2МG/с² она достигнет скорости света с. Для Солнца R_ш = 2960 м, для Земли — всего 9 мм, а для тел «привычной» для нас массы и тем более для элементарных частиц радиус Шварцшильда бесконечно мал (рис. 53).

Из предыдущих глав мы знаем, что никакой объект, состоящий из частиц с ненулевой массой покоя, не может достичь скорости света даже при сколь угодно больших затратах энергии. Следовательно, если некое тело перешло границу Шварцшильда, то отныне оно навсегда «потеряно» для окружающего мира. Его гравитационное воздействие настолько сильно, что не позволяет даже лучам света покинуть его поверхность. Поэтому извне такая область представляется абсолютно черным, непрозрачным телом, в которое частицы вещества и излучения падают, словно в «бездонный колодец». Отсюда и название подобных объектов — черные дыры.

Черную дыру, по сути дела, можно считать самой стабильной «частицей», ибо ее абсолютно невозможно «разбить». При любой попытке сделать это сила притяжения всегда оказывалась бы преобладающей над другими воздействиями, и любые бомбардировки черной дыры приводили бы лишь к увеличению ее массы и размеров.

Рассматривая взаимодействия с подобным объектом, необходимо учитывать релятивистские эффекты, в частности увеличение массы и замедление времени с ростом скорости. Расчеты показывают, что при падении космического корабля в черную дыру эти эффекты

Первая космическая скорость, равная 7,9 км/с, требуется Для выведения космического аппарата (спутника) на орбиту вокруг Земли, а при третьей космической скорости, 16,7 км/с, аппарат покидает пределы Солнечной системы никаким образом не проявились бы внутри корабля— его переход через границу области Шварцшильда совершился бы за ничтожные доли секунды без каких-либо необычных ощущений. Но явления, происходящие в окружающем мире, космонавты наблюдали бы в непрерывно ускоряющемся темпе и в конце концов увидели бы Вселенную такой, какой она будет для нас через миллиарды лет.

Если бы с корабля, падающего на черную дыру, посылались радиосигналы в виде регулярных импульсов, то удаленные наблюдатели принимали бы их на все большей длине волны через быстро возрастающие интервалы времени, а последний сигнал — посланный в момент перехода границы сферы Шварцшильда — дошел бы до внешних наблюдателей в бесконечно далеком будущем. Так что об окончательной судьбе. такого корабля никто никогда не получил бы известий. Если бы следили за кораблем в оптический телескоп, то он исчез бы из виду еще раньше, поскольку испускаемый (или отраженный) им свет перешел бы сначала в область инфракрасного излучения, а затем постепенно — в область все более длинных электромагнитных волн. В принципе корабль может кружить по орбите черной дыры произвольно долго, но, перейдя границу сферы Шварцшильда, он навсегда утратит всякую связь с окружающим миром.