Как обнаружить черную дыру

Цикл заметок «Грустные мысли»
Содержание:
1 Бесконечный протон и Великий Эйнштейн
2 Красное смещение, закон Хаббла и расширение Вселенной
3 Большой Взрыв и Черная дыра
4 Как обнаружить «Черную дыру»
5 Большой Взрыв и Реликтовое излучение - Рога и Копыта от науки


Эпиграф
Трудно искать черную кошку в черной комнате;
особенно трудно – если ее там нет.
Восточная мудрость

ЧЕРНАЯ ДЫРА – область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий», или просто «горизонтом» черной дыры.
Чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение, создающая это поле, масса (M) должна сжаться в объем с радиусом, меньшим «гравитационного радиуса» rg = 2GM/c^2, где G - гравитационная постоянная, а  c - скорость света. Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца с массой около 2 ;10^30 кг и радиусом около 700 тыс. км значение rg ; 3 км. А для Земли (M = 6 ; 10^24 кг) значение rg ; 1 см, для звезды в десять солнечных масс — 30 км, а для объекта в два миллиарда солнечных масс — 40 астрономических единиц, то есть размер Солнечной системы.
Черная дыра как физический объект обладает очень многими интересными и необычными свойствами, но подавляющее большинство из них проявляются в непосредственной близости или за горизонтом событий. Для удаленного наблюдателя они недоступны и в качестве признаков обнаружения не представляют интереса.
Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр.
В настоящее время в зоне видимости наблюдается около 200 объектов – кандидатов в черные дыры, но нет пока ни одного объекта, в отношение которого можно утверждать, что это черная дыра.
Обнаружить черную дыру почетно и престижно, и даже представляет интерес экономический, если иметь в виду возможную премию. Может, именно по этой причине признаки, по которым легко идентифицировать космический объект как черную дыру, нигде не приводятся, более того, приводятся ложные признаки. Попытаемся раскрыть секрет посвященных искателей, и уравнять шансы начинающих энтузиастов.
Рассмотрим вариант местоположения черной дыры наиболее вероятный, центр Галактики. Проанализируем эффекты, которые должен обнаружить в этом случае земной наблюдатель. Лучи света от звезд расположенных за черной дырой не могут достичь Земли по прямой линии, т.к. все излучение телесного угла, определяемого диаметром "горизонта событий", поглощается черной дырой. Но черная дыра искривляет смежное пространство определенным образом, так что оно действует как идеальная линза с фокусным расстоянием, зависящим от расстояния отклоняемого луча от центра линзы. Фокусное расстояние, тем меньшее, чем ближе луч к центру черной дыры. Фокус такой линзы всегда направлен в сторону наблюдателя, а количество наблюдателей и их размещение могут быть произвольными. Так что для каждой точки пространства такую линзу можно рассматривать как набранную из тонких цилиндров, каждый из которых имеет свое фокусное расстояние. При этом для каждого конкретного направления и для каждой точки на нем, определяемой положением наблюдателя, всегда найдется условная линза,  обеспечивающая фокусировку лучей загороженной звезды именно в точке наблюдателя. В результате все экранированные звезды предстанут для наблюдателя в форме кольцевых псевдообъектов, рис. 1, диаметры которых определяются массой черной дыры (чем больше масса, тем больше радиус) и расстояниями от линзы до наблюдателя и от линзы до загороженной звезды.
Суммарная яркость всех колец, которые при больших расстояниях до линзы практически сольются в одно кольцо, должна превысить яркость экранированных звезд, т.к. все линзы увеличительные. Звезды, не экранированные черной дырой, но очень близкие по направлению, будут наблюдаться как два точечных псевдообъекта. Один, как звезда смещенная от черной дыры, а другой, как звезда смещенная внутрь кольца, и оба псевдообъекта почти одинаковой яркости. Звезды, наблюдаемые далеко в стороне от черной дыры, практически не изменят своего положения на небе, но будут представлены земному наблюдателю также двумя объектами, первый из которых будет собственно видимой звездой, а второй будет псевдозвездой на светящемся кольце вокруг черной дыры. Псевдозвезда в этом случае будет гораздо менее яркой по сравнению с реальной звездой, т.к. действующее расстояние до нее складывается из двух прямолинейных участков: наблюдатель-«черная дыра»-реальный объект. Но таких объектов так много (все видимые звезды), что суммарная яркость кольца черной дыры должна быть сравнимой с яркими звездами. Эффект кажущегося смещения звезд формирует вокруг кольца черной дыры область "разреженных" звезд, окруженную ореолом из "уплотненных" звезд.
Таким образом, окончательно получаем, что на месте черной дыры должен наблюдаться яркий псевдообъект с темной областью в середине, и затемненной вокруг него. Темная областью вокруг объекта в свою очередь окружена узким ореолом "уплотненных" звезд. Характерные размеры псевдообъекта, формируемого черной дырой, для земного наблюдателя всегда меньше размеров исходного объекта, послужившего материалом при коллапсе в черную дыру.  Спектр излучения объекта должен быть интегральным, т.е. с суммарным набором стандартных линий всех звезд.
Из выше изложенного следует, что черные дыры нужно искать не в темных провалах звездного неба, а наоборот, среди ярких объектов, очень похожих на звезды. И еще, необходимым атрибутом поиска должен быть анализатор спектра.
Для решивших начать поиск черных дыр, необходимо сообщить дополнительно следующее. Вся изложенная здесь информация, несомненно, известна тем, кто занимается поиском дыр профессионально и уже много лет. Однако пока это не помогло им найти соответствующий объект. Видимо следует обратить внимание на то, что строгое решение Карла Шварцшильда, положенное в основу теории «черных дыр», найдено для упрощенных и приблизительных уравнений Эйнштейна. Строгие уравнения гравитации, придуманные Эйнштейном, до сих пор не имеют решения и не проверены. Несколько существующих частных решений, найденных для упрощенных уравнений, справедливы только для очень малых значений кривизны пространства. Но кривизна в области  дыр не то что мала, а стремится к бесконечности. Применение упомянутых частных решений уравнений гравитации для построения теории черных дыр аналогично применению уравнений ламинарных течений в анализе турбулентности. Таким образом, теория черных дыр может оказаться всего лишь экзотическим и эфемерным продуктом тренировки ума азартных энтузиастов.
Но находят только те, кто ищет. В такой ситуации остается только переадресовать совет Великого Комбинатора: «Пилите, Шура, пилите».

Нижний Новгород.
Контакт с автором: vleonovich@yandex.ru

С другими публикациями автора можно познакомиться на странице http://www.proza.ru/avtor/vleonovich сайта ПРОЗА.РУ.

 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Паули В. Теория относительности. — 2-е изд. — М.: Наука, 1983.
2) Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М., Молодая гвардия, 1985.
3) Чандрасекар С. Математическая теория черных дыр. М., Мир, 1986.
4) Черепащук А.М. Поиски черных дыр. – Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4.