15 января 2021 11:18
595
Астрофизик поделился историей изучения черных дыр во Вселенной

Фото: Пятый угол/Алёна Черепкова

Общество

В настоящее время про черные дыры знают даже школьники начальных классов, но ранее данная физико-математическая концепция была предметом обсуждения в узких научных сообществах. Только в конце XX века теоретические расчеты были проверены с помощью космических спутников, запущенных с Земли. Об истории изучения черных дыр рассказал старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, кандидат физико-математических наук Владимир Сурдин

Черными дырами астрофизики называют компактные космические объекты, обладающие большой массой и гигантской силой притяжения. Популярное объяснение гласит, что с поверхности такого объекта не может стартовать даже луч света, потому что не позволит гравитация. 

Первым исследователем явления стал Джон Мичелл, английский геофизик и астроном, живший в XVIII веке. Он рассчитал, опираясь на законы Ньютона, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (корпускулы) не могли бы улететь далеко от нее, и такая звезда издалека казалась бы абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского королевского общества – так родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Точно такую же идею чуть позже, в начале XIX века высказал в своей книге «Система мира» французский математик и астроном Лаплас. Он считал, что в космосе существует немало невидимых массивных звезд. Идеи двух ученых не стали тогда заметным событием в науке.  

Но наибольший интерес к невидимым массивным объектам, считает В. Сурдин, проявился в начале XX века. Причиной стала общая теория относительности А. Эйнштейна, перевернувшая представление о природе света и гравитации в 1915-1916 годах. Кстати, она до сих пор является рабочим инструментом при расчетах астрофизиков. Немецкий математик Карл Шварцшильд, опираясь на нее, составил набор нелинейных уравнений гравитации и решил их. Согласно его версии, если пустить луч света (фотон) на первой космической скорости, он будет путешествовать вокруг темного массивного объекта. На второй космической скорости, равной скорости света, фотон попадет в так называемый «горизонт событий» и уже никогда не сможет оттуда вырваться. Таким образом, немецкому ученому удалось вычислить радиус черной дыры, получивший название гравитационного радиуса. К сожалению, Шварцшильд рано ушел из жизни во время Первой мировой войны.  

«Следующий шаг в решении уравнений Эйнштейна сделал математик Рой Керр из Новой Зеландии, открывший эргосферу. Поскольку все космические объекты вращаются, горизонт событий оказывается окруженным неким пределом статичности. Влетев вовнутрь эргосферы фотон ещё может ускользнуть, но может и двигаться по направлению вращения объекта. Это может быть похоже на то, что вы вскочили на вращающуюся карусель и вращаетесь вместе с ней», - объясняет старший научный сотрудник.  

В дальнейшем представление о черных дырах как сверхмассивных и одновременно сверхкомпактных объектах абсолютного поглощения были усовершенствованы советским физиком Яковом Зельдовичем. Он был также талантливым математиком, и несмотря на то, что большую часть времени занимался созданием ядерного щита СССР, оставил после себя немало интересных идей. Его духовным учеником и преемником явился знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг. В 1975-м он доказал, что внутри черных дыр могут рождаться виртуальные, а затем и реальные пары (частица-античастица).  Следовательно, эти массивные объекты не только поглощают, но и нечто излучают, имеют определенную температуру излучения. Его гипотеза получила название «излучение Хокинга». Другие идеи Зельдовича подхватил член-корреспондент РАН Игорь Новиков.  

В. Сурдин упоминает, что сам термин «черная дыра» (bkack hole – англ.) появился сравнительно недавно, в 1967 году, благодаря американскому ученому Джону Арчибальду Уилеру. Так физик обозначил в одной лекции неизвестные астрофизические объекты, ранее именуемые «застывшими звездами».  

Первую черную дыру удалось запечатлеть на снимке в апреле 2019 года с помощью комплекса телескопов. Сейчас в поле зрения ученых находится около тысячи обнаруженных черных дыр. Но общее количество объектов, подпадающих под данное определение, может составлять десятки миллионов. Астрофизик считает, что их обнаружение и идентификация  - важнейшая задача современной науки.

Анна Кова

Автор статьи

Анна Кова