Диалоги (март 2003 г.) - Гордон Александр. Страница 47

Или же что поверхность горизонта событий может только возрастать…

А.Ч. При слиянии чёрных дыр.

Д.Г. Да. В любых процессах поверхность горизонта событий возрастает. И это было как бы прообразом термодинамической аналогии, потому что довольно скоро было осознано, что картина чёрной дыры совместна с принципами термодинамики, то есть с тем, что энтропия должна возрастать лишь только в том случае, если, действительно, чёрной дыре нужно приписать энтропию пропорциональную поверхности, площади поверхности горизонта событий. Иначе, если газ падает в чёрную дыру, то поглощается не просто материя, но поглощается и мера хаотичности, то есть энтропия.

И как раз завершением, что ли, этого периода было открытие геометрического характера энтропии чёрной дыры и вообще новая интерпретация понятия энтропия, которую обычно всегда связывали со статистическим усреднением в физике, а здесь это уже некоторая геометрия, которая даёт понятие. А причина такова, что, действительно, энтропия – это потеря информации за счёт усреднения или за счёт горизонта событий.

Ну, вскоре после этого было предсказано уже испарение чёрных дыр. Это уже квантовый этап, о котором мы, может быть, если успеем, поговорим попозже. Но вот такова стандартная модель, которая сложилась где-то к 75-ому году.

А.Г. Это ещё до наблюдательных данных, когда не было обнаружено ни одного объекта, который бы мог бы подходить под эти параметры?

Д.Г. Да. Вот тогда уже очень активно начали астрофизики здесь разворачиваться, и очень быстро появились первые сведения о Лебеде.

А.Ч. Сейчас можно просто резюмировать. К настоящему времени мы имеем свыше ста объектов, свойства которых чрезвычайно похожи на свойства чёрных дыр. Причём все необходимые условия, которые накладываются на наблюдательные проявления чёрных дыр общей теорией относительности, выполняются.

А.Г. Тогда почему вы говорите, что мы имеем объекты, похожие на чёрные дыры, а не чёрные дыры?

А.Ч. Потому что выполняются только необходимые условия. Достаточных критериев отбора чёрных дыр пока нет, потому что, в отличие от нейтронных звёзд, где есть вращение, магнитное поле, феномен пульсара, я об этом чуть позже скажу, у чёрных дыр нет специфических эффектов, которые можно наблюдать, специфичных для самих чёрных дыр. Мы судим о том, что это чёрные дыры по отсутствию пульсара, по отсутствию вспышек, и так далее. А отсутствие какого-либо признака не является достаточным критерием наличия этого объекта. Присутствие признака это доказательство, а отсутствие – это только необходимое условие. Но поскольку объектов уже свыше ста, то можно сказать, что с очень большой вероятностью чёрные дыры открыты, они почти открыты. Тем не менее будущее за специальными экспериментами, в том числе и космическими, которые докажут существование чёрных дыр, потому что они позволят наблюдать эффекты специфичные для чёрных дыр, наблюдать с высоким угловым разрешением порядка десять в минус седьмой угловой секунды дуги, так называемый рентгеновский интерферометр космический. В 2010 году он будет запущен.

Итак, значит, как образовать чёрную дыру? Возьмём Землю и будем сжимать её сферическим прессом. Вот когда мы в четыре раза уменьшим радиус Земли, то вторая космическая скорость уже будет не 11 километров в секунду, а 22 километра в секунду у Земли. Если мы ещё будем дальше сжимать Землю и сожмём её до 9 или 8 миллиметров, то вторая космическая скорость будет равно 300 тысяч километров в секунду. Так мы получим чёрную дыру, тогда уже пресс не понадобиться, Земля будет сама сжиматься под горизонт событий, и образуется чёрная дыра с массой, равной массе Земли и гравитационным радиусом 9 миллиметров. Но реально в природе такого пресса, конечно, нет, и роль этого пресса играет гравитация, именно поэтому чёрные дыры образуются при коллапсе ядер массивных звёзд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество в чёрную дыру до необходимой плотности, до размера гравитационного радиуса.

И эволюция звёзд происходит таким образом, что звёзды с массой меньше полутора масс Солнца… Я имею в виду не всю звезду, а центральную часть звезды, которая проэволюционировала, которая уже имеет химическую неоднородность, потому что внешняя оболочка звезды (до 50 процентов массы) может быть потеряна под давлением излучения в виде звёздного ветра. В двойной система из-за приливных эффектов оболочка может быть потеряна. А вот ядро звезды, которая проэволюционировала, которая имеет анамальный химсостав уже, образует нам остаток от звезды, и если масса этого ядра меньше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, то образуется белый карлик. Белый карлик – это звезда радиусом порядка радиуса Земли в 10 тысяч километров, с массой порядка массы Солнца и плотностью порядка тонна в кубическом сантиметре, то есть напёрсток вещества белого карлика весит тонну. Таких белых карликов очень много, примерно десять миллиардов штук в нашей галактике, которая сто миллиардов звёзд содержит вот десять миллиардов из них белые карлики. Если же масса ядра звезды в конце эволюции больше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, но меньше трех массы Солнца, то уже в результате сжатия этого ядра образуется нейтронная звезда. Нейтронная звезда это такой объект, который удерживается от сжатия давлением так называемого вырожденного нейтронного вещества. Нейтроны обладают полуцелым спином, и согласно принципу Паули, в одном энергетическом состоянии может находиться один нейтрон. Из-за этого статистика распределения нейтронов по энергиям описывается уже уравнением Ферми-Дирака. Это вырожденное вещество, давление зависит только от плотности, не зависит от температуры, и нейтронная звезда удерживается от сжатия давлением вырожденного нейтронного вещества.

Д.Г. Такие огромные объекты, как белые карлики и чёрные дыры, на самом деле являются квантовыми по своим свойствам. Это огромные такие квантовые макроскопические объекты.

А.Ч. Белых карликов десять миллиардов в нашей галактике, и все они, по сути, квантовый эффект, то есть это доказательство квантовой механики. Нейтронных звёзд примерно десять миллионов в нашей галактике, ну, сто миллионов будем считать, десять в восьмой, и тоже каждая из нейтронных звёзд – это есть торжество квантовой механики. И вот если масса центрального ядра звезды больше, чем три массы Солнца, то гравитационное поле будет таким сильным, как в примере с прессом для Земли, что гравитационное поле может сжать вещество звезды до таких плотностей, до таких маленьких размеров, что образуется чёрная дыра. Чёрные дыры должны иметь массу больше трех масс Солнца, если они происходят естественным образом в результате окончания эволюции звезды. Но нижний предел массы чёрной дыры может достигать даже примерно одной и восемь десятых массы Солнца; это зависит от так называемого уравнения состояния вещества нейтронной звезды, то есть связи между давлением и плотностью. Но максимальная масса нейтронной звезды, соответствующая предельно жёсткому уравнению состояния, это три массы Солнца.

Поэтому задача наблюдателей очень простая: надо найти объекты, масса которых больше трех масс Солнца и радиусы которых равны гравитационному радиусу. Для чёрной дыры с массой десять масс Солнца, а это типичная масса звёздной чёрной дыры, гравитационный радиус это 30 километров. Если массу мы можем измерить по движению второй звезды в двойной системе или по движению газовых облаков и звёзд вблизи сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактике, то измерить радиус в 30 километров, измерить на расстоянии, скажем, тысячи световых лет практически очень трудно, но тем не менее сейчас астрономы даже такие задачи собираются решать. Например, можно будет измерить радиус ядер чёрных дыр в ядрах галактик с помощью космических интерферометров.

Итак, задача – померить массу объекта, показать, что его размер близок к гравитационному или, ещё лучше, равен гравитационному, и, наконец, надо показать, что у объекта нет наблюдаемой твёрдой поверхности, а имеется вот этот горизонт событий. Горизонт событий – это не какая-то поверхность. Горизонт событий может быть устранён выбором системы отсчёта. Если мы сядем на космический корабль и будет свободно падать, то мы попадём в сингулярность и не почувствуем никакого горизонта событий. То есть это такая поверхность, которая зависит от системы отсчёта, с которой мы на неё смотрим, это не твёрдая поверхность вот это надо тоже доказать. Ну, и, кроме того, чёрные дыры, которые сформировались в наше время, не стопроцентные чёрные дыры. Сжатие вещества согласно общей теории относительности – коллапс происходит бесконечно долго для внешнего наблюдателя и из-за замедления хода времени. Но уже в первые миллисекунды времени звезда приближается очень близко к своему гравитационному радиусу, а дальше она приближается экспоненциально к своему гравитационному радиусу, и ей нужно прождать всё бесконечно большое время нашей Вселенной, чтобы она окончательно сформировала свой горизонт событий.