Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 43. Черные дыры и их загадки.

      Что делать звездам настолько массивным, что их остатки даже после вспышки сверхновой имеют массы, превышающие максимально наблюдаемую у нейтронных звезд ~ 2,2 Мsun? Обычно на этот вопрос отвечают - такие остатки должны стать черными дырами. И с одной оговоркой оказываются правы - если эти остатки имеют массы, ощутимо превышающие 5 масс Солнца. Ибо мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun просто не наблюдается. Вне этого интервала - великое множество, а внутри интервала - нет:

Поэтому надо бы разобраться - что есть черные дыры и почему нет мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun?


      1. Что такое черные дыры?
      Если бы Ньютон знал, что существует предельная скорость распространения любых сигналов, а именно - скорость света, то понятие черных дыр в физику, пусть и под другим названием, ввел бы он. Действительно, из закона всемирного тяготения следует, что вторая космическая скорость V2, необходимая для удаления частицы на бесконечность от тела радиуса R и массы M, определяется формулой V2²= 2GM/R. А если нам известна V2, но не известен R, то R = 2GM/V2². Именно такой формулой с заменой V2 на скорость света "с" определяется гравитационный радиус черной дыры (ЧД) или ее радиус горизонта событий и в теории всемирного тяготения Ньютона, и в ОТО Эйнштейна:

                                                    Rg = 2GMчд/c².            (1)

      Таким образом, черная дыра есть объект, на границе которого вторая космическая скорость становится не меньше скорости света. Как видно из (1) гравитационный радиус ЧД пропорционален ее массе.  Для объекта с массой Земли Rg = 0,9 см, для массы Солнца Rg = 2,95 км, для нейтронной звезды максимально известной массы Rg = 6,4 км.

      Но масса объекта пропорциональна его плотности и кубу его радиуса: Mчд = 4πρчдRg3/3. Поэтому для удобства в дальнейшем обсуждении проблем ЧД выразим среднюю плотность ЧД через отношение массы Солнца к массе ЧД:

                                                ρчд = ρо(Msun/Mчд)²,        (2)

где Msun - масса Солнца, а

      ρо = (3/32π)*(/G)³/Msun² 1,85*1016
г/см³.    (3)

      2. Почему нет черных дыр с массами менее 5 солнечных масс?
      Из (3) видно, что величина ρо существенно превышает максимально допустимую плотность вещества в нейтронной звезде ρнз ~ 6*1014 г/см³. И ρчд сравнивается с последней только при Mчд ~ 5,5 Msun. А при больших Mчд величина ρчд становится меньше ρнз. Таким образом, если сжать вещество до плотности, превышающей плотность вещества в нейтроне невозможно, то в природе есть место только черным дырам с массами Mчд ≥ 5,5 Msun.

      Этот результат подтверждается данными наблюдений (см. диаграмму а начале раздела). И, тем самым, говорит о том, что природа не позволяет сжать вещество до плотностей выше, чем плотность вещества в нейтроне. И потому бытующие рассуждения о сжатии вещества до плотностей до сих пор не наблюдаемой в экспериментах кварк-глюонной плазмы в стационарном состоянии, не имеют под собой реальной основы.

      Что же случается с остатками звезд, массы которых после сброса их оболочки во взрыве сверхновой превышают верхний предел массы нейтронных звезд в 2,2 Msun и при этом оказываются меньше нижнего предела масс для черной дыры в 5,5 Msun? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Но можно предположить, что остатки звезд в указанном выше интервале масс испытывают взрывной сброс излишней массы и превращаются в нормальные нейтронные звезды. Или даже в белые карлики, если сбросят слишком много массы.

      3. Сверхмассивные черные дыры.
      Даже самые массивные звезды главной последовательности имеют массы, обычно не превышающие 100 Msun (есть редчайшие экземпляры, достигающие 150-200 Msun). Поэтому остающиеся после их взрывов черные дыры звездных масс имеют массы, не превышающие 50-70 Msun.

      Черные дыры с массами от сотен до сотен тысяч Msun называют черными дырами промежуточных масс. Их начали обнаруживать совсем недавно как центральные объекты шаровых звездных скоплений и карликовых галактик.

      А центральными объектами нормальных и крупных галактик оказались сверхмассивные черные дыры (СМЧД), обладающие массами от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Так, в нашей галактике "Млечный путь" центральная СМЧД имеет массу в 4,3 миллиона Msun. Радиус горизонта событий этой СМЧД равен 12,7 миллиона километров (меньше радиуса орбиты Меркурия). А средняя плотность вещества в этой СМЧД ρ = 103 г/см³. Немного, однако. Всего лишь одна тонна на литр. Гораздо меньше, чем в белых карликах.

      В центре довольно близкой к нам (~ 50 млн. св. лет) гигантской эллиптической галактики М87 СМЧД имеет массу в 3-6 млрд. масс Солнца. Пользуясь формулами (1) и (2) мы легко можем определить параметры этой ЧД. Гравитационный радиус такой ЧД превышает радиус известной нам солнечной системы, А средняя плотность вещества внутри этой ЧД оказывается порядка плотности окружающего нас воздуха. Поневоле задумаешся о природе нашей Вселенной...

P.S. ОТО Эйнштейна не делает никаких утверждений относительно содержимого внутри сферы радиуса горизонта событий черной дыры.
Tags: Начала физики
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • В этот день 11 лет назад

    Этот пост был опубликован 11 лет назад!

  • Две мышки...

    Две мышки танцуют, хвостиками машут. Но мы видим лишь мгновенный снимок одного их па. Сколько же па еще будет и чем их танец закончится? На…

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 9 comments