Физический энциклопедический словарь - черная дыра

851

ла гравитац. силами до размеров, меньших его гравитационного радиуса rg=2/c² (где М— масса тела, G— гравитац. постоянная, с — численное значение скорости света). Предсказание о существовании во Вселенной Ч. д. сделано на основе общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО, с приближением размера небесного тела к rg сила тяготения стремится к бесконечности. Однако противодействующие сжатию силы упругости даже при очень высокой плотности в-ва в малом объёме, характеризуемом rg, остаются конечными. Поэтому в-во тела, достигшего размеров гравитац. радиуса, должно неудержимо сжиматься к центру (испытывать релятивистский гравитационный коллапс). Один возможный путь образования Ч. д. указывает теория эволюции звёзд. Ч. д. может стать звезда, в недрах к-рой угасли термоядерные источники энергии. В таких звёздах с массой М>Mкритич.=1,5—3 Мсолн силы внутр. давления уже не могут противостоять силам гравитации. В-во звезды устремляется к центру и практически за время свободного падения достигает гравитац. радиуса и наступает гравитац. «самозамыкание» звезды. Осн. св-во звезды, поверхность к-рой достигла сферы с радиусом rg (сферы Шварцшильда), состоит в том, что никакие сигналы (свет, ч-цы), испускаемые в пределах сферы Шварцшильда, не могут выйти наружу и достигнуть внеш. наблюдателя (рис.).

Проотранствевно-временной график гравитац. коллапса звезды и образования чёрной дыры в системе отсчёта удалённого наблюдателя: t — время, х — одна из пространств. осей, АВ=2 Rз — диаметр звезды в один из моментов времени. АС и ВС — линии движения поверхности звезды. Действие тяготения приводит к тому, что к наблюдателю сигнала из точек а, b, с, d, e,... приходят не через равные промежутки ab=bc=cd=de=..., а с запаздыванием (аа', bb', cc' и т. д.). С момента е, когда радиус звезды становится равным её гравитац. радиусу rg, свет перестаёт выходить из-под сферы Шварцшильда. Наблюдатель видит звезду «застывшей» на стадии de.

Границу области, за к-рую не выходит свет, наз. горизонтом Ч. д. Сохраняющиеся у Ч. д. внеш. проявления связаны с существованием у неё гравитац. поля, момента вращения и электрич. заряда, если сколлапсировавшая звезда была заряжена. На больших расстояниях гравитац. поле Ч. д. не отличается от полей обычных звёзд, и движение др. тел, взаимодействующих с Ч. д., подчиняется законам механики Ньютона. Вблизи Ч. д. характер гравитац. поля определяется ОТО. Рядом особенностей обладает гравитац. поле вращающейся Ч. д. (поле Керра). У вращающейся Ч. д. вне горизонта существует особая область — эргосфера. В-во, попадающее в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вокруг Ч. д. Наличие эргосферы может привести к потере чёрной дырой энергии вращения. Это возможно, напр., в случае, когда нек-рое тело, влетев в эргосферу, распадается на две части, причём одна из них продолжает падение на Ч. д., а другая вылетает из эргосферы по направлению вращения. Энергия вылетающей части может при определ. условиях превышать первонач. энергию всего тела.

Таким способом Ч. д. может терять энергию и при образовании в её эргосфере пары ч-ц (ч-цы и антич-цы), если одна из ч-ц поглощается Ч. д., а др. вылетает из эргосферы наружу. Ч. д. может терять энергию вращения не только с вылетающими из эргосферы ч-цами, но и в процессах т. н. сверхизлучательного рассеяния внеш. эл.-магн. и гравитац. излучений. Подсчитано, что энергия рассеянной эл.-магн. волны может увеличиться за счёт энергии вращения Ч. д. на 4,4%, а энергия рассеянной гравитац. волны — на 138%. Энергетич. потери Ч. д., связанные с уменьшением её вращат. момента, могут составить 29% от её полной энергии, т. е. 0,29 Мс². Указанные выше процессы происходят только около вращающихся Ч. д. Но даже в отсутствии вращения наличие горизонта ведёт к квантовомеханич. процессу рождения ч-ц и антич-ц вблизи Ч. д. за счёт энергии её гравитац. поля. В результате Ч. д. должна излучать, причём как абс. чёрное тело с темп-рой Tэ=10²⁶/М (в Кельвинах). Этот механизм излучения Ч. д. был рассмотрен англ. физиком С. Хоукингом в 1974. Интенсивность черно-тельного излучения Ч. д. низка, т. к. Tэ мала (для Ч. д. массой M=3MсолнТэ~10^-7К). За счёт излучения Ч. д. большой массы уменьшается очень медленно. Но с уменьшением М темп-ра Ч. д. повышается, процесс её «испарения» ускоряется, завершаясь своеобразным взрывом и, возможно, полным исчезновением. Кроме Ч. д., возникающих в процессе эволюции звёзд, теория рассматривает Ч. д.,

образовавшиеся на ранних (горячих и сверхплотных) стадиях развития Вселенной. Эти первичные Ч. д. с массой, меньшей 10¹⁵ г, к нашему времени должны были испариться, а существенно более массивные — остаться практически неизменными.

Поиски Ч. д. как первичных, так и звёздного происхождения -важнейшая проблема совр. астрономии. Наиболее вероятно обнаружение Ч. д. в тесных двойных звёздных системах, в к-рых один компонент — Ч. д., а другой звезда-гигант, в-во к-рой перетекает к Ч. д. Вблизи Ч. д. из перетекающего в-ва образуется вращающийся газовый диск. Трение между слоями диска, движущимися с разл. скоростями, приводит к значит. разогреву в-ва (до десятков млн. град) и появлению рентг. теплового излучения. Неск. источников космич. рентг. излучения имеют, по-видимому, подобное строение. В одном из них— источнике Лебедь Х-1 —масса звёзд-компонентов составляет примерно 25Мсолн и 10Мсолн (соответственно для оптически наблюдаемой звезды-сверхгиганта и для невидимой звезды — источника рентг. излучения). Компактная звезда с массой ~10Мсолн не может быть нейтронной звездой. Поэтому предполагают, что в этой системе астрономы впервые открыли кандидата в Ч. д. Предполагается также, что в активных ядрах галактик и в квазарах могут находиться сверхмассивные Ч. д. (М ~10⁶—10⁸Мсолн,), наблюдаемая активность этих объектов возможно обусловлена аккрецией на Ч. д. окружающего газа.

• Зельдович Я. Б., Новиков, И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Шкловский И. С., Звезды. Их рождение, жизнь и смерть, 2 изд., М., 1977; Происхождение и эволюция галактик и звезд, М., 1976; Ф р о л о в В. П., Черные дыры и квантовые процессы в них, «УФН», 1976, т. 118, в. 3; П е н р о у з Р., «Черные дыры», пер. с англ., «УФН», 1973, т. 109, в. 2.