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)*(c²/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.
Journal information