Космические супермаховики

      Комментарии к записи Космические супермаховики отключены

Космические супермаховики

Теорема о лысине

Огромные дыры в галактических ядрах, по всей видимости, образуются из первичных центров гравитационной конденсации — единственной «послезвездной» дыры либо же нескольких дыр, слившихся в следствии столкновений. Такие дыры-зародыши заглатывают расположенные поблизости звезды и межзвездный газ и тем многократно увеличивают собственную массу.

Падающее под горизонт вещество опять-таки владеет как зарядом (пылевые частицы и космический газ легко ионизируются), так и вращательным моментом (падение происходит с закруткой, по спирали). В любом физическом ходе заряд и момент инерции сохраняются, и исходя из этого конечно высказать предположение, что формирование черных дыр не есть исключением.

Но справедливо и еще более сильное утверждение, частный случай которого был сформулирован в первой части статьи. Какими бы ни были предки макроскопической черной дыры, она приобретает от них только массу, электрический заряд и момент вращения. По словам Джона Уилера, «черная дыра не имеет волос».

Вернее было бы заявить, что с горизонта любой дыры свисают не больше трех «волосинок», что и было доказано объединенными упрочнениями нескольких физиков-теоретиков в 1970-х. Действительно, в дыре обязан сберигаться и магнитный заряд, гипотетические носители которого, магнитные монополи, были предсказаны Полем Дираком в первой половине 30-ых годов двадцатого века. Но эти частицы еще не найдены, и о четвертой «волосинке» сказать рановато.

В принципе смогут существовать и дополнительные «волосы», связанные с квантовыми полями, но в макроскопической дырах они совсем незаметны.

И все-таки они крутятся

В случае если статичную звезду подзарядить, метрика пространства-времени изменится, но горизонт событий так же, как и прежде останется сферическим. Но звездные и галактические черные дыры по многим причинам не смогут нести громадный заряд, исходя из этого с позиций астрофизики данный случай не через чур увлекателен. А вот вращение дыры влечет за собой более важные последствия.

Во-первых, изменяется форма горизонта. Центробежные силы сжимают его по оси вращения и растягивают в плоскости экватора, так что сфера преобразуется в что-то подобное эллипсоиду. В сущности, с горизонтом происходит то же самое, что с любым вращающимся телом, например, с отечественной планетой — так как экваториальный радиус Почвы на 21,5 км дольше полярного.

Во-вторых, вращение сокращает линейные размеры горизонта. Отыщем в памяти, что горизонт — это граница раздела между событиями, каковые смогут либо не смогут отправлять сигналы к удаленным мирам. В случае если тяготение дыры пленяет световые кванты, то центробежные силы, наоборот, содействуют их уходу в открытый космос.

Исходя из этого горизонт вращающейся дыры обязан размешаться ближе к ее центру, нежели горизонт статичной звезды с такой же массой.

Но и это не все. Дыра в собственном вращении увлекает за собой окружающее пространство. В близи от дыры увлечение полное, на периферии оно неспешно слабеет.

Исходя из этого горизонт дыры загружён в особенную область пространства — эргосферу. Граница эргосферы прикасается к горизонту у полюсов и дальше всего отходит от него в плоскости экватора. На данной поверхности скорость увлечения пространства равна световой; в нее она больше скорости света, а снаружи — меньше.

Исходя из этого любое материальное тело, будь то газовая молекула, частица космической пыли либо зонд-разведчик, при попадании в эргосферу обязательно начинают вращаться около дыры, причем в том же направлении, что и она сама.

Звездные генераторы

Наличие эргосферы в принципе разрешает применять дыру в качестве источника энергии. Пускай некоторый объект попадает в эргосферу и распадается в том месте на два осколка. Может оказаться, что один из них провалится под горизонт, а второй покинет эргосферу, причем его кинетическая энергия превысит начальную энергию целого тела!

Эргосфера владеет кроме этого свойством усиливать электромагнитное излучение, которое падает на нее и снова рассеивается в пространство (это явление именуется сверхрадиацией).

Но, закон сохранения энергии непоколебим — вечных двигателей не существует. В то время, когда дыра подпитывает энергией частицы либо излучение, ее личная энергия вращения значительно уменьшается. Космический супермаховик неспешно сбавляет обороты и в итоге может кроме того остановиться. Подсчитано, что так возможно перевести в энергию до 29% массы дыры. Действеннее этого процесса только антивещества и аннигиляция вещества, потому, что в этом случае масса всецело преобразовывается в излучение.

А вот солнечное термоядерное горючее выгорает с большое количество меньшим КПД — порядка 0,6%.

Следовательно, скоро вращающаяся черная дыра — чуть ли не совершенный генератор энергии для космических суперцивилизаций (в случае если, само собой разумеется, таковые существуют). По крайней мере, природа применяет данный ресурс с незапамятных времен. Квазары, самые замечательные космические «радиостанции» (источники электромагнитных волн), питаются энергией громадных вращающихся дыр, расположенных в ядрах галактик.

Эту догадку выдвинули Эдвин Салпетер и Яков Зельдович еще в первой половине 60-ых годов двадцатого века, и с того времени она стала общепринятой. Приближающееся к дыре вещество образует кольцеобразную структуру, так называемый аккреционный диск. Так как пространство поблизости от дыры очень сильно закручено ее вращением, внутренняя территория диска удерживается в экваториальной плоскости и медлительно оседает к горизонту событий.

Газ в данной территории очень сильно нагревается внутренним трением и генерирует инфракрасное, световое, ультрафиолетое и рентгеновское излучение, а иногда кроме того и гамма-кванты. Квазары испускают кроме этого нетепловое радиоизлучение, которое по большей части обусловлено синхротронным эффектом.

Весьма поверхностная энтропия

Теорема о лысых дырах скрывает коварный подводный камень. Коллапсирующая звезда является сгустком сверхгорячего газа, сжимаемого силами тяготения. Чем выше плотность и температура звездной плазмы, тем меньше в ней порядка и больше хаоса. Степень хаотичности выражается конкретной физической величиной — энтропией.

С течением времени энтропия любого изолированного объекта возрастает — такова сущность второго начала термодинамики. Энтропия звезды перед коллапсом непомерно громадна, а энтропия дыры помой-му очень мелка, потому, что для однозначного описания дыры необходимы всего три параметра. Неужто на протяжении гравитационного коллапса нарушается второй закон термодинамики?

Запрещено ли допустить, что при превращении звезды в сверхновую ее энтропия уносится совместно со скинутой оболочкой? Увы, нет. Во-первых, масса оболочки не идет в сравнение с массой звезды, посему утрата энтропии будет мала. Во-вторых, несложно придумать еще более убедительное мысленное «опровержение» второго закона термодинамики.

Пускай в зону притяжения уже готовой дыры попало тело ненулевой температуры, владеющее какой-то энтропией. Провалившись под горизонт событий, оно провалится сквозь землю совместно со собственными запасами энтропии, а энтропия дыры, по всей видимости, нисколько не увеличится. Появляется искушение утверждать, что энтропия инопланетянина не исчезает, а передается внутренности дыры, но это только словесная уловка.

Законы физики выполняются в мире, дешёвом для нас и отечественных устройств, а область под горизонтом событий для любого внешнего наблюдателя — terra incognita.

Данный парадокс разрешил аспирант Уилера Джейкоб Бекенстейн. У термодинамики имеется весьма замечательный интеллектуальный ресурс — исследование совершенных тепловых автомобилей. Бекенстейн придумал мысленное устройство, которое трансформирует тепло в нужную работу, применяя черную дыру в качестве нагревателя.

При помощи данной модели он вычислил энтропию черной дыры, которая была пропорциональна площади горизонта событий. Эта площадь пропорциональна квадрату радиуса дыры, что, напомним, пропорционален ее массе. При захвате любого внешнего объекта масса дыры возрастает, радиус удлиняется, возрастает площадь горизонта и растет энтропия.

Расчеты продемонстрировали, что энтропия дыры, заглотнувшей чужеродный объект, превышает суммарную энтропию дыры и этого предмета до их встречи. Подобно энтропия коллапсирующей звезды на большое количество порядков меньше энтропии дыры-наследницы. Из рассуждений Бекенстейна направляться, что поверхность дыры владеет ненулевой температурой и исходя из этого легко обязана излучать тепловые фотоны (а при достаточном нагреве и другие частицы).

Но так на большом растоянии Бекенстейн пойти не решился (данный ход сделал Стивен Хокинг).

К чему же мы пришли? Размышления о черных дырах не только оставляют второе начало термодинамики незыблемым, но и разрешают обогатить понятие энтропии. Энтропия простого физического тела более либо менее пропорциональна его количеству, а энтропия дыры — поверхности горизонта.

Возможно строго доказать, что она больше энтропии любого материального объекта с этими же линейными размерами. Это указывает, что большая энтропия замкнутого участка пространства определяется только площадью его внешней границы! Как видим, теоретический анализ особенностей черных дыр разрешает сделать весьма глубокие выводы общефизического характера.

Глядя в глубины Вселенной

Как осуществляется поиск черных дыр в глубинах космоса? Данный вопрос «Популярная механика» задала известному астрофизику — доктору наук Гарвардского университета Рамешу Нарайану. «Открытие черных дыр нужно считать одним из наибольших достижений современной астрономии и астрофизики.

В последние десятилетия в космосе были идентифицированы тысячи источников рентгеновского излучения, любой из которых складывается из несветящегося объекта и нормальной звезды малого размера, окруженного аккреционным диском. Чёрные тела, массы которых составляют от полутора до трех солнечных весов, точно являются нейтронными звездами. Но среди этих невидимых объектов имеется как минимум два десятка фактически стопроцентных кандидатов на роль черной дыры.

Кроме этого ученые пришли к единому точке зрения, что в галактических ядрах прячутся по крайней мере две громадных черных дыры. Одна из них находится в центре отечественной Галактики; в соответствии с прошлогодней публикации астрологов из америки и Германии, ее масса образовывает 3,7 миллиона весов Солнца (Ms).

Пара лет назад мои коллеги по Гарвардско-Смитсоновскому астрофизическому центру Джеймс Моран и Линкольн Гринхилл внесли главной вклад во взвешивание дыры в центре сейфертовской галактики NGC 4258, которая потянула на 35 миллионов Ms. По всей видимости, в ядрах многих галактик имеются дыры, владеющие массой от миллиона до нескольких миллиардов Ms.

До тех пор пока нет возможности зафиксировать с Почвы вправду неповторимую подпись черной дыры — наличие горизонта событий. Но мы уже можем убеждаться в его отсутствии. Радиус нейтронной звезды образовывает 10 км; таков же по порядку величины и радиус дыр, появившихся в следствии звездного коллапса.

Но нейтронная звезда имеет жёсткую поверхность, а дыра такой не владеет. Падение вещества на поверхность нейтронной звезды влечет за собой термоядерные взрывы, каковые порождают периодические рентгеновские вспышки секундной длительности. А в то время, когда газ достигает горизонта черной дыры, он уходит под него и не проявляет себя никаким излучением.

Исходя из этого отсутствие маленьких рентгеновских вспышек — замечательное подтверждение дырочной сущности объекта. Все два десятка двойных совокупностей, предположительно содержащих черные дыры, таких вспышек не испускают.

Нельзя не согласиться с тем, что на данный момент мы вынуждены ограничиваться негативными доказательствами существования черных дыр. Объекты, каковые мы объявляем дырами, не смогут быть ничем иным с позиций общепринятых теоретических моделей. Выражаясь в противном случае, мы их полагаем дырами только вследствие того что не можем разумно счесть ничем иным.

Надеюсь, что следующим поколениям астрологов повезет больше».

К словам доктора наук Нарайана возможно добавить, что астрологи уже достаточно давно верили в действительность существования черных дыр. Исторически первым надежным кандидатом на эту должность стал чёрный спутник весьма броского голубого сверхгиганта HDE 226868, удаленного от нас на 6500 световых лет. Он был обнаружен в первой половине семидесятых годов прошлого века в рентгеновской двойной совокупности Лебедь Х-1.

По последним данным, его масса образовывает около 20 Ms. Необходимо подчеркнуть, что 20 сентября этого года были опубликованы эти, каковые полностью рассеяли сомнения в действительности еще одной дыры галактических масштабов, о существовании которой астрологи в первый раз стали подозревать 17 лет назад. Она находится в центре галактики М31, более известной как туманность Андромеды.

Галактика М31 — весьма ветхая, ей приблизительно 12 млрд. лет. Дыра также немаленькая — 140 млн. солнечных весов. К осени 2005 года астрофизики и астрономы совсем уверились в существовании трех сверхмассивных черных дыр и еще пары десятков их более скромных товарок.

Вердикт теоретиков

«Популярной механике» удалось кроме этого поболтать с двумя авторитетнейшими экспертами по теории тяготения, каковые посвятили десятки лет изучению черных дыр. Мы попросили их перечислить самые важные успехи в данной области.

Вот что поведал нам доктор наук теоретической физики Калифорнийского технологического университета Кип Торн: «В случае если сказать о макроскопических черных дырах, каковые прекрасно описываются уравнениями ОТО, то в области их теории главные результаты были взяты еще в 60−80-е годы XX века. Что касается недавних работ, то самые увлекательные из них разрешили лучше осознать процессы, происходящие в черной дыры по мере ее старения.

Сейчас большое внимание уделяется моделям черных дыр в многомерных пространствах, каковые конечно появляются в теории струн. Но эти изучения относятся не к хорошим, а к квантовым дырам, пока еще не найденным. Основной же результат последних лет — весьма убедительные астрофизические подтверждения действительности существования дыр с массой в пара солнечных весов, и сверхмассивных дыр в центрах галактик.

Сейчас уже не приходится сомневаться, что эти дыры вправду существуют и что мы прекрасно понимаем процессы их формирования».

На данный же вопрос ответил и ученик академика Маркова, доктор наук университета канадской провинции Альберта Валерий Фролов: «В первую очередь я бы назвал открытие черной дыры в центре отечественной Галактики. Увлекательны и теоретические изучения дыр в пространствах с дополнительными измерениями, из которых вытекает возможность рождения мини-дыр в опытах на ускорителях-коллайдерах и в процессах сотрудничества космических лучей с земной материей.

Сравнительно не так давно Стивен Хокинг разослал препринт работы, которая показывает, что тепловое излучение черной дыры всецело возвращает во внешний мир данные о состоянии объектов, провалившихся под ее горизонт. Ранее он полагал, что эта информация необратимо исчезает, но сейчас пришел к противоположному выводу. Однако нужно выделить, что совсем эту задачу возможно решить только на базе квантовой теории гравитации, которая до тех пор пока еще не выстроена».

Работа Хокинга заслуживает отдельного комментария. Из неспециализированных правил квантовой механики направляться, что никакая информация не исчезает бесследно — разве что переходит в менее «читаемую» форму. Но черные дыры необратимо уничтожают материю и, по-видимому, так же жестко расправляются и с информацией. Во второй половине 70-ых годов двадцатого века Хокинг разместил статью, где данный вывод был подкреплен математическим аппаратом.

Кое-какие теоретики дали согласие с ним, кое-какие — нет; в частности, приверженцы теории струн были уверены, что информация неразрушима. Прошлым летом на конференции в Дублине Хокинг объявил, что информация все же сохраняется и уходит с поверхности испаряющейся дыры вместе с тепловым излучением. На данной встрече Хокинг представил только схему собственных новых вычислений, дав обещание со временем опубликовать их всецело.

И вот сейчас, как поведал Валерий Фролов, эта работа стала дешева в виде препринта.

Напоследок мы попросили доктора наук Фролова растолковать, из-за чего он вычисляет черные дыры одним из самых фантастических изобретений людской интеллекта. «Астрологи продолжительное время открывали объекты, для понимания которых не требовалось значительно новых физических идей. Это относится не только к планетам, галактикам и звёздам, но и к таким экзотическим телам, как белые нейтронные звёзды и карлики. А вот черная дыра — это что-то совсем иное, это прорыв в малоизвестное.

Кто-то заявил, что ее внутренности — наилучшее место для размещения преисподней. Изучение дыр, в особенности сингулярностей, применять такие модели и нестандартные понятия, каковые до недавнего времени в физике фактически не рассматривались, — к примеру, теорию струн и квантовую гравитацию. Тут появляется множество неприятностей, каковые для физики непривычны, кроме того болезненны, но, как на данный момент ясно, полностью настоящи.

Исходя из этого изучение дыр всегда требует принципиально новых теоретических подходов, среди них и таких, каковые находятся на грани отечественных знаний о физическом мире».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№38, декабрь 2005).

Консервированная энергия | Большой скачок


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: