Москва 24

28 июня, 2016

Из черноты черных дыр: что скрывают гравитационные волны

Поделиться в социальных сетях:

Фото: nasa.gov

В середине июня научное сообщество всколыхнула новость об обнаружении гравитационных волн от слияния двух черных дыр. Существование таких волн было предсказано еще Альбертом Эйнштейном. Что это означает для науки – в материале m24.ru.

Собственно, гравитационные волны были зафиксированы уже трижды. В первый раз это произошло еще в конце прошлого года. Впрочем, некоторые научные мужи встали на дыбы в вопросе, что же вообще было зафиксировано, а если и было, то откуда пришли эти волны. Иными словами, стороны заспорили об источнике волн. Второй эпизод произошел относительно недавно, в феврале. Здесь уже копья ломались не настолько яростно. А в июне астрофизикам удалось сделать научное открытие, которое, по-видимому, ставит точку в вопросе существования гравитационных волн. Но не только в нем...

Немного о черных дырах

Дело в том, что гравитационные волны – это единственный способ доказать существование знаменитых черных дыр. Согласно общей теории относительности Эйнштейна и всем гипотезам, которые проистекают непосредственно из нее, звезды переживают на своем жизненном пути различные трансформации. Сначала рождается обычная рядовая звезда, которая излучает за счет запасов водорода – наиболее распространенного во Вселенной химического элемента.

Затем запасы водорода подходят к концу. Тогда в звезде могут начаться термоядерные реакции по превращению гелия в другие химические элементы. Гелий будет превращаться в углерод, углерод – в кислород, и так цепочка может идти до железа. А звезда закономерно увеличивает свои размеры и превращается в красного сверхгиганта.

Красные гиганты и сверхгиганты

Звезды, которые могут похвастать наибольшими размерами во Вселенной. В процессе эволюции звезды, у нее рано или поздно заканчивается водород. Таким образом, исчезает источник энергии, за счет которого долгое время шел процесс горения. Образуется плотное гелиевое ядро с разреженной газовой оболочкой вокруг него. Звезда в буквальном смысле слова "пухнет", давая начало процессу горения гелия.

Средний радиус красного гиганта равен примерно 500 солнечных радиусов. Таким образом, превратившееся в красного гиганта Солнце в конце своей звездной эволюции увеличит границы примерно до размеров орбиты Земли.

Фото: news.mit.edu

После того как сверхгигант исчерпает все свои источники энергии, звезда коллапсирует, и, в зависимости от ее массы, образуется массивный компактный объект – белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Звезда с массой, примерно равной массе Солнца, закончит свой путь как белый карлик. Если она была тяжелее в несколько раз – то это уже нейтронная звезда. А вот если она была намного тяжелее Солнца, а таких звезд предостаточно, Солнце вообще является середняком как в плане массы, так и в вопросе светимости, то становится черной дырой.

Нейтронные звезды и белые карлики для ученых давно не являются новинкой. Разумеется, нельзя сказать, что они изучены целиком и полностью, ведь состояние вещества в недрах таких звезд весьма экзотическое. Из-за чрезмерной плотности оно может утрамбоваться до такой степени, что никакие земные лаборатории будут не в состоянии воспроизвести такой объект.

Белые карлики и нейтронные звезды

После того, как и красный гигант/сверхгигант исчерпает собственные запасы "топлива", происходит довольно любопытная вещь – он "сбрасывает" внешнюю оболочку, оставляя "голое" ядро звезды, которое под действием гравитационных сил может еще больше сжаться. К тому же часть вещества оболочки "падает" обратно на теперь уже образовавшийся белый карлик: звезду чрезвычайно малых размеров и огромной плотности.

Если масса звезды изначально была больше в 1,44 раза, чем масса Солнца, гравитационное сжатие (коллапс) не остановится на процессе формирования белого карлика и образуется нейтронная звезда. Такое название она получила из-за того, что в ядре таких звезд наблюдается большое количество нейтронов. Из-за огромной плотности в недрах таких звезд вещество может существовать в состояниях, которые являются экзотическими. Например, кварки (своеобразные кирпичики, из которых состоят элементарные частицы) могут выделиться из частиц и образовать кварковое вещество. Впрочем, пока это является гипотезой, требующей проверки.


Предположим, у вас есть чайная ложка и вы зачерпнули в нее вещество из ядра нейтронной звезды. Ради упрощения представим, что это удалось, ложка не сломалась, а вещество не разлетелось. Сколько оно будет весить в земных условиях? Многие сотни тонн!

Если звезда была настолько большой, что даже образование нейтронной звезды не остановило гравитационного коллапса, то получается черная дыра. А со звездами такого типа существует определенная проблема: их нельзя каким-либо не экзотическим способом поймать в сети.

Что будет, если на нейтронные звезды, черные дыры или белые карлики идет поток вещества

Несмотря на то, что все три класса этих объектов образуются довольно схожим образом, то есть это конечная стадия эволюции звезд, по своим свойствам белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры друг от друга отличаются.

Если устойчивый, уже сформировавшийся белый карлик является участником двойной системы и на него перетекает вещество другой звезды, то рано или поздно может сложиться ситуация, что масса белого карлика превысит допустимый предел, который носит название предела Чандрасекара (1,44 солнечной массы). В этом случае белый карлик не превратится в нейтронную звезду, а взорвется. Земляне смогут наблюдать этот взрыв, как вспышку сверхновой.

В свою очередь поток вещества на нейтронную звезду может запустить процесс ее превращения в черную дыру.

Чернота черных дыр

Гравитационная мощность черных дыр оказывается настолько огромной, что она превышает даже скорость света. По сути, черные дыры не имеют никаких других параметров, кроме массы. Мы не можем сказать, что происходит за рубежом, где сила притяжения становится столь большой, что не пропускает никакое излучение.

Из этого, в свою очередь, следуют две вещи. Первая из них гласит, что черная дыра является сингулярностью (точкой бесконечной плотности, в которой не существует времени и откуда невозможно выбраться). Вторая – что у черной дыры нет поверхности. В самом деле, есть ли у черной дыры поверхность или нет, выяснить совершенно невозможно. Для того чтобы определить этот момент, необходимо наблюдать своеобразное затмение – прохождение черной дыры по диску другой звезды. Но и здесь существуют определенные сложности.

Черные дыры находятся на значительном удалении от Земли, а даже суперсовременные оптические телескопы здесь ничем не помогут. Кроме того, они сильно искривляют свет, пришедший к нам от других небесных тел за счет своей гравитации.

Иными словами, способов ощутить черную дыру крайне мало. Но они есть. Например, микролинзирование. Это как раз попытка распознать массивный компактный объект за счет искривления света от других объектов. Второе – гравитационные волны от слияния черных дыр.

Как они сливаются

По данным ученых, источником волн в последнем случае стало слияние двух черных дыр, произошедшее 1,4 миллиарда лет назад. Масса этих небесных тел превышала солнечную в восемь и 14 раз соответственно.

По современным представлениям ученых, в результате слияния двух черных дыр происходит мощнейший гравитационный всплеск при полном отсутствии другого излучения. Таким образом, единственным способом зарегистрировать слияние двух массивных компактных объектов является "поимка" гравитационных волн.

Нейтронные звезды и черные дыры в нашей галактике

По статистике, чрезвычайно массивных звезд образуется достаточно немного. Наибольшее количество звезд во Вселенной – значительно меньше Солнца по массе и светимости.

По приблизительным подсчетам, в Млечном Пути насчитывается около миллиарда нейтронных звезд и примерно 100 миллионов черных дыр.


Слияние черных дыр хоть и является притягательной темой для научных фантастов, все же не слишком красиво выглядит в реальности. Никакого взрыва при превращении двух этих объектов в один не происходит. Возникает только чудовищный по силе всплеск гравитационных волн, который можно зафиксировать, а затем следует полная тишина: родилась новая мегамассивная черная дыра.

Слияния двух компактных объектов меньшего "калибра" обогатили нашу Вселенную массой новых химических элементов. Взять то же золото: по современным представлениям ученых, большая часть этого вещества возникла при слиянии нейтронных звезд. А что же дают черные дыры? Ответ: а неизвестно.

Мнение эксперта

Надежнейшее обнаружение двух всплесков гравитационного излучения на установках LIGO, а также обнаружение третьего (более слабого сигнала) не просто большой успех проекта LIGO. Это начало эпохи гравитационно-волновой астрономии.

Система детекторов гравитационных волн – это новый тип телескопа, позволяющий изучать астрономические объекты в ранее недоступном диапазоне. Все три зарегистрированных всплеска обязаны своим происхождением слияниям черных дыр звездных масс. У нас нет других способов изучать такие явления, а они крайне важны и для физики, и для астрофизики.


Физики получили новый способ изучения гравитации (достаточно сказать, что наилучшие пределы на скорость распространения гравитационного взаимодействия установлены именно благодаря первому всплеску). А астрофизики получили возможность изучать взаимодействие черных дыр с черными дырами.

В ближайшем будущем мы ждем также сигнала от слияний нейтронных звезд. Это сможет дать новую информацию об этих объектах.

В ближайшие месяцы установки LIGO продолжат работу на более высокой чувствительности и к ним присоединится VIRGO. Через несколько лет заработает японская установка KAGRA, а затем будет дособран третий детектор LIGO в Индии. Таким образом, менее чем через 10 лет будет работать целая сеть из чувствительных детекторов, разбросанных по всему миру. От них можно ждать интересных открытий как в области астрофизики, так и в области фундаментальной физики.

Сергей Попов
ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга


В существовании черных дыр еще не поставлена точка, а тем более, никому не удалось заглянуть за горизонт такого объекта. Но если ученым это удастся, то будет сделан еще один огромный шаг в фундаментальной физике. Его явно оценят Нобелевской премией, а человечество будет намного ближе к созданию "общей теории всего".

Сюжет: От морей к звездам: как работает наука

Поделиться в социальных сетях:

закрыть
Обратная связь
Форма обратной связи
Прикрепить файл

Отправить

Следите за новостями:

Больше не показывать
Яндекс.Метрика