Чёрные дыры
Чёрная дыра - область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр.
Термин «чёрная дыра» появился сравнительно недавно. Впервые его употребил в 1969г. Американский учёный Джон Уиллер в качестве наглядного описания идеи, высказанной не меньше двухсот лет назад. Английский астроном Джон Митчелл в 1784 году доказал, что если масса звезды будет достаточно велика, то свет не сможет покинуть её, т.е. для наблюдателей она будет невидима. Через несколько лет к такому же выводу пришёл французский учёный Пьер Лаплас.
Их рассуждения связаны с понятием «скорость убегания» - минимальная скорость, необходимая для того, чтобы объект преодолел силу притяжения небесного тела или звездной системы. Она зависит от массы небесного тела, поэтому естественно, что для какой-то массы эта скорость будет больше скорости света. Если объектом с такой массой окажется звезда, её свет просто не сможет покинуть поверхность. Именно о таком объекте говорили Митчелл и Лаплас, и его в определённом смысле можно считать чёрной дырой.
Теоретически образование чёрной дыры легче всего рассмотреть на примере невращающейся звезды. По мере старения она расходует свою энергию и превращается в красного гиганта, но в конце концов её топливо кончается и звезда становится неустойчивой. Термоядерная «печь» обеспечивала направленное вовне давление, которое уравновешивало силу гравитационного сжатия, но теперь его нет. Гигантская сила сжатия скоро становится неодолимой. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапс растягивается на миллионы лет, но для массивных звёзд он происходит практически мгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем за тысячную долю секунды звезда превращается в чёрную дыру.
В «замедленном» варианте это происходит следующим образом. Вскоре после начала сжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается, и фотонам становится всё труднее противостоять растущему напряжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом, имеют искривлённую траекторию (как следует из общей теории относительности). Те же, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются на орбите вокруг звезды, и через долю секунды ни один фотон уже не может вырваться - звезда прошла так называемый горизонт события. Однако вещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий. Боле того, коллапс продолжается вечно, и в конце концов вещество сжимается до нулевого объёма в центре звезды - сингулярности.
Решение уравнения Эйнштейна, соответствующее такой чёрной дыре, было найдено К. Шварцшильдом, поэтому она называется шварцшильдовской. Однако большинство звёзд вращается, и, следовательно, вращаются образовавшиеся из них чёрные дыры. Решение для таких случаев нашёл в 1963 году Р.Керр.
Объект, приближающийся к чёрной дыре, будет вращаться с той же скоростью, что и эта дыра, и чем ближе, тем выше будет эта скорость. На определённом этапе она приблизится к световой. Та поверхность, на которой это происходит, называется «статическим пределом». За ним тоже также есть горизонт события, имеющий сферическую форму. С другой стороны, поверхность, соответствующая статическому пределу, сплющена и соприкасается с горизонтом события только у полюсов. Область между этими поверхностями называется эргосферой. За горизонтом событий имеется сингулярность, только она имеет форму кольца.