Чёрные дыры

Астрофизика и ее понятия. Этапы Большого заблуждения. Чёрные дыры

19 декабря 2013г. в Интернете появилось потрясающее сообщение : Европейский Исследовательский Совет выделили 14 млн. евро для проекта "Камера Черной Дыры". Главная цель проекта - отснять горизонт событий предполагаемой чёрной дыры в центе нашей Галактики. Чёрная дыра это область, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не может даже свет. А горизонт событий - граница этой области. Предполагается, что горизонт событий будет отбрасывать тень на газ, аккрецирующий на чёрную дыру, или на радиоволны, излучаемые этим газом. Если не удастся обнаружить горизонт событий, то это будет означать, что нет и чёрной дыры. Технология получения фотографии чёрной дыры планируется такой: множество радиотелескопов по всему миру сфокусируются на центральной области Галактики, а суперкомпьютер сведёт затем воедино результаты всех наблюдений.

Данный приём не является новым. Опыт совместной работы космических и наземных телескопов, работающих в разных спектральных диапазонах, использовался, например, при поиске тёмной материи. Новым в данном проекте является грандиозность кооперации всех наземных радиотелескопов. Результат их совместной работы по эффекту будет подобен одному телескопу размером с Землю.

От планируемого эксперимента следует ожидать сенсационных открытий. Но увы, это будет не подтверждение существования чёрной дыры. Основания для такого смелого утверждения даёт сравнение двух теорий гравитации - Общей теории относительности А. Эйнштейна (ОТО) и Релятивистской теории гравитации А.А. Логунова (РТГ).

В 1988г. в Международном Ежегоднике "Наука и человечество" А.А. Логуновым была опубликована работа "Новые представления о пространстве, времени и гравитации", в которой впервые было указано на ошибки, содержащиеся в общей теории относительности. Первая ошибка состояла в том, что законы сохранения (массы, энергии, импульса и др.) каждый в отдельности не выполняются. В ОТО постоянное значение могут иметь только некоторые комбинации таких величин. Суть второй ошибки состояла в том, что в криволинейной системе координат, принятой в ОТО, инертная масса тела может принимать нулевые и отрицательные значения. Гравитационная же масса тела всегда положительна. Это означает, что основной постулат о равенстве гравитационной и инертной масс в общей теории относительности не выполняется.

А.А. Логунов показал, какие изменения следует внести в ОТО, чтобы устранить эти две ошибки теории. Во-первых, десять уравнений ОТО нужно дополнить ещё четырьмя уравнениями, обеспечивающими выполнение каждого закона сохранения в отдельности. А во-вторых, необходимо отказаться от идеи криволинейности пространства. Тем более что все астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что пространство Вселенной плоское, то есть пространство без кривизны.

"Существует три типа пространств постоянной кривизны. Пространство нулевой кривизны ("плоское"), где царствует геометрия Евклида. …У пространства Лобачевского кривизна отрицательная, у пространства Римана - положительная … Согласно воззрениям ОТО гравитация отождествляется с метрикой риманова пространства".

Наглядно представить себе, что представляют собой пространства Евклида, Римана и Лобачевского можно с помощью координатных поверхностей. Реальное физическое пространство трёхмерно. Вводимые математиками дополнительные размерности есть попросту технический приём, обеспечивающий большую наглядность в формулах и удобство в математических выкладках. Так вот, каждое из реальных трёхмерных физических пространств можно описать с помощью трёх координат. Для евклидова пространства это известные ещё из школьных учебников декартовы координаты X, Y, Z. Для пространств Римана и Лобачевского это будут другие тройки координатных величин. Координатная поверхность - это поверхность, на которой одна из трёх координат остаётся постоянной. Для евклидова пространства все координатные поверхности плоские. А для пространств Римана и Лобачевского это не так. На рис.1 показаны образцы координатных поверхностей пространств Евклида (a), Римана (b) и Лобачевского (c).

В евклидовом пространстве движение по инерции всегда происходит по прямой. А в криволинейных пространствах движение по инерции может происходить по некоторой кривой, называемой геодезической линией. В общей теории относительности Эйнштейна пространство Вселенной предполагается римановым.

Итак, релятивистская теория гравитации А.А. Логунова (РТГ) отличается от ОТО следующим:

Теоретически возможность существования чёрных дыр следует из решения 10 уравнений Эйнштейна. В противовес уравнениям ОТО, решение 14 уравнений РТГ показало следующее: никаких черных дыр - объектов, в которых происходит катастрофически сильное сжатие вещества до бесконечной плотности и которые не имеют материальной поверхности, - в принципе не может быть в природе.

Вопрос о реальном существовании чёрных дыр, таким образом, сводится к вопросу: какую из двух теорий ОТО или РТГ считать ошибочной, а какую верной? Ответ очевиден. Ошибки ОТО уже обнаружены. Насколько безошибочна теория РТГ покажет будущее. Но, по крайней мере, ошибок ОТО теория РТГ не содержит. Таким образом, в настоящее время есть все основания утверждать, что чёрных дыр в природе нет.

В ОТО речь идёт о чёрных дырах звёздных масс: все массивные звёзды, начиная с 3,5 масс Солнца, с течением времени превращаются в чёрную дыру. Если чёрных дыр в природе нет, то соответствующие теоретические наработки (горизонт событий, гравитационный коллапс, радиус Шварцшильда и т.д.) оказываются несостоятельными. Однако, в проекте "Камера Черной Дыры" речь идёт не об эйнштейновских чёрных дырах звёздных масс, а о гипотетической сверхмассивной чёрной дыре. Вот об этом астрофизическом понятии и поговорим подробнее. Общепринятой теории образования сверхмассивных чёрных дыр ещё нет. Есть попытки создания такой теории, при которых используются понятия, введенные для чёрных дыр звёздной массы (горизонт событий, гравитационный коллапс, радиус Шварцшильда и т.д.), что некорректно в силу отмеченной выше несостоятельности этих понятий.

В настоящее время считается, что сверхмассивная чёрная дыра - это чёрная дыра с массой около 10⁵-10¹⁰ масс Солнца. Такая масса предполагаемой сверхмассивной чёрной дыры возникла из оценки масс галактических ядер. Галактики имеют в центральных частях компактные сгущения звёзд, газа и пыли, которые принято называть ядрами. Около одного процента галактик обладают ядрами с повышенной активностью. В активных ядрах происходят мощные нестационарные процессы, приводящие к высокой светимости ядер во всех диапазонах - рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиодиапазоне. Идея о возможном существовании сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик первоначально возникла из наблюдения галактик с такими активными ядрами. А затем эту идею распространили на все галактики, включая и нашу. Поиском чёрной дыры в нашей Галактике и должен заниматься проект "Камера Черной Дыры".

Массы ядер далёких активных галактик, как правило, завышены. Завышение массы ядра происходит при определении массы по светимости. Например, при определении расстояния до квазара по красному смещению, это расстояние оказывается завышенным на 1-2 порядка. Отсюда следует, что светимость ядра квазара завышается на 2-4 порядка. А так как масса ядра пропорциональна светимости, то и масса окажется завышенной на 2-4 порядка. Ещё один пример. Иногда массу ядра галактики определяют по доплеровским сдвигам линий излучения из ядерной области. При этом красное смещение линий спектра объясняют скоростью вращения излучающего газа вокруг ядра (рис.2).

Но на рис.2 видно, что во вращающемся кольце газа наряду с газом, удаляющимся от наблюдателя, в равных количествах присутствует газ, приближающийся к наблюдателю. Следовательно, наряду с линиями спектра, смещёнными в красную сторону, должны были бы присутствовать и линии, смещённые в фиолетовую сторону. Но линий с фиолетовым смещением никогда не наблюдается. Это объясняется тем, что красное смещение линий излучения вызывается не вращающимся вокруг ядра газом, а аккрецией межгалактического газа на ядро галактики (рис.3). Причём в спектр попадает только излучение газа, удаляющегося от наблюдателя. Скорость аккреции газа не служит определяющей характеристикой массы ядра. Подробнее об аккреции межгалактического газа см. в статье "Что такое квазар".

Перечисленные причины ошибочного завышения масс ядер галактик характерны не только для квазаров, но и для всех достаточно удалённых галактик.

Как это уже бывало во многих других ситуациях, пока что надёжную оценку массы ядра можно получить только для нашей галактики Млечный Путь. Определение массы ядра нашей Галактики произведено по движению индивидуальных звёзд в центральной области галактики. Масса ядра оценена в 2,4 × 10⁶ солнечных масс,что на 13 порядков выше средней плотности неядерных областей Галактики. Это вполне реалистичная величина. Но свидетельствует ли это о наличии чёрной дыры в центре нашей Галактики?

Член-корреспондент РАН А. М. Черепащук, считает, что полученная оценка делает "…весьма вероятной гипотезу о том, что в ядрах галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры … если бы ядро было плотным скоплением обычных звёзд типа Солнца, оно бы светилось по крайней мере в 100 раз ярче, чем наблюдается. Поэтому… остаётся возможность только сверхмассивной чёрной дыры".

А. М. Черепащук в своём предположении был бы прав, если бы ядро галактики состояло только из звёзд и прозрачного газа. Но все астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что ядро Галактики буквально забито пылью. Чем объясняется такая "запылённость" ядра, мы рассмотрим чуть позже. А пока напомним о тёмной пылевой туманности Конская Голова в созвездии Ориона, знакомой всем любителям астрономии (рис.4). По фотографии туманности видно, что там, где сгущение пыли более плотное, она совершенно непрозрачна для излучения звёзд.

В нашей Галактике огромное количество вещества находится в виде газопылевых туманностей. Особенно большое количество пыли скапливается в ядре галактики. Источником космической пыли служат процессы, в которых происходит быстрый отток вещества, сопровождаемый охлаждением. Это звёздный ветер и взрывные процессы в звездах. Непрерывно образующаяся по всему объёму Галактики пыль под действием гравитационного притяжения аккрецирует на ядро Галактики.

Периодически пылинки приобретают электрический заряд за счёт налипания на них электронов из межзвездного газа или ионизации ультрафиолетовым излучением. Возникающий на пылинке электрический заряд привязывает её к магнитному полю за счёт силы Лоренца и она начинает двигаться к ядру галактики не по прямой, а по винтовой линии, навивающейся на магнитную линию. Это замедлит процесс аккреции, но не остановит его, потому что все магнитные линии крупномасштабного магнитного поля галактики замкнуты на ядро галактики (петли крупномасштабного магнитного поля спиральной галактики показаны на рис.3). Вследствие этого плотность пыли в ядре должна быть особенно большой, что подтверждается недавними наблюдениями телескопа Хаббл и последующими за тем исследованиями.

В сентябре 1999г. телескопом Хаббл в пределах ядра Галактики было зафиксировано скопление звёзд, названное Квинтуплетом так как в нём выделялись пять особенно ярких звёзд. Дальнейшие исследования австралийских астрономов показали, что все эти пять звёзд двойные, причём масса каждой звезды в паре составляет приблизительно 10-20 масс Солнца. Уже только эти результаты свидетельствуют о чрезвычайно высокой концентрации космической пыли в ядре Галактики. Пыль является катализатором процесса звездообразования. Очень высокая плотность пылевого кокона приводит к возникновению очень массивных звёзд (в данном случае 10-20 солнечных масс). Кроме того, пространственная плотность этих массивных звёзд также будет очень высокой, между ними будут возникать приливные взаимодействия, приводящие к созданию тесных двойных звёзд. Именно это и наблюдается в скоплении Квинтуплет.

Таким образом, заключение о том, что незначительную светимость ядра Галактики можно объяснить только наличием сверхмассивной чёрной дыры, не имеет оснований. Мы просто за плотной пылью почти ничего не видим. Теперь остаётся ждать результатов работы проекта "Камера Черной Дыры". Удастся или не удастся обнаружить горизонт событий фактически будет означать вердикт по вопросу истинности, или ложности ОТО.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 22 января 2014 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'