От чёрных облаков к чёрным дырам

С тех пор как в 30-х годах Эддингтон высказал свои сомнения, общее отношение к этому вопросу изменилось. Дело не в том, что природа открыла нам какой-то драматический секрет, а в том, что астрофизики-теоретики в наши дни стали храбрее предлагать такие сценарии развития событий, которые старшим поколением рассматривались бы как чересчур радикальные и неприемлемые. Современные учёные во многом следуют завету Шерлока Холмса, легендарного детектива, созданного пером сэра Артура Конан Дойла: «После того, как вы исключили все невозможное, остающееся, пусть и невероятное, должно быть правдой».

Таким образом, тот сценарий, который Эддингтон полагал невозможным (звезда будет продолжать сжиматься, пока её собственное тяготение не завернёт назад все её излучение), в настоящее время является одной из самых популярных астрофизических идей. Соответствующий объект получил название чёрной дыры. Прежде чем обсуждать его свойства, приглядимся повнимательнее к той силе в природе, которая порождает этот объект, т.е. к силе тяжести. Когда звезда становится чёрной дырой, она наконец-то уступает победу гравитации! ГРАВИТАЦИЯ В РОЛИ ДИКТАТОРА

Хотя тяготение было первым из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, оно все ещё во многом остаётся загадкой. Когда Ньютон установил закон тяготения

F = G m₁ m₂ ,

(1) r²

его спросили, почему существует такой закон. Знаменитый ответ Ньютона гласил: «Гипотез не измышляю». Ньютоновский подход был эмпирическим. Закон тяготения (1) объясняет движение планет и спутников и может быть проверен в других ситуациях. Вопрос о том, почему в природе существует такой закон, требует более глубокого понимания, которого не было у Ньютона. Но и сегодня, три столетия спустя, мы не понимаем этого.

Мы пойдём по пути Ньютона, возьмём этот закон, как он есть, и посмотрим на некоторые его приложения.

Немедленным следствием из формулы (1) является то, что если две массы (m₁ и m₂) велики, то сила тяготения также велика. Это объясняет, почему гравитационная сила практически несущественна для атомных частиц, но важна в астрономии. Возьмём, например, закон электростатического притяжения между двумя электрическими зарядами +e и -e , находящимися на расстоянии r друг от друга:

E = e² .

(2) r²

Заметим, что как электростатическая сила Е, так и гравитационная сила F являются силами притяжения, они увеличиваются при сближении частиц. Таким образом, отношение двух сил одинаково, при всех расстояниях r:

E/F = e²/Gm₁m₂

Для пары электрон—протон в атоме водорода это отношение равно десяти тысячам миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10⁴⁰). Такое большое число объясняет, почему физики-атомщики не торопятся учитывать гравитационные эффекты в своих вычислениях: эти эффекты необычайно подавлены превосходящими электромагнитными силами.

Но астрономы имеют дело с электрически нейтральными большими массами. Таким образом, для этих тел электрическая сила E=0, а гравитационная сила F очень велика. Астроном не может исключить гравитацию из рассмотрения. Мы уже видели, что гравитация определяет весь жизненный цикл звезды.

Приведём пример, демонстрирующий «диктаторские замашки» гравитации. На рис. 62 показаны массы m₁ и m₂ соединённые резиновой лентой. На рис. 62, а лента растянута, так что массы находятся далеко друг от друга. Когда лента начинает стягиваться, массы m₁ и m₂ начинают сближаться. Если предоставить им эту возможность, они будут двигаться друг к другу. Но не слишком долго! Поскольку эти массы движутся под действием упругой силы, стремящейся сократить длину ленты, сама эта сила уменьшается. На рис. 62, б показано, что когда массы сблизились (и лента сократилась до нерастянутого состояния), на них уже не действует никакая сила.

Рис. 62. Массы m₁ и m₂ притягиваются друг к другу из-за стремления растянутой резиновой ленты сократиться (а). Сила, действующая на массы, исчезает, как только лента сожмётся до нерастянутого состояния (б)

На рис. 63 показана ситуация в случае тяготения, выглядящая совершенно иначе. На рис. 63, а массы далеко друг от друга и между ними действует слабая сила гравитационного притяжения. Если однако, дать им возможность двигаться друг к другу под действием этой силы, то сама сила не будет уменьшаться. Наоборот, она растёт. На рис. 63, б показано, что чем ближе массы m₁ и m₂ друг к другу, тем большая сила действует между ними.

Рис. 63. В противоположность ситуации, показанной на рис. 62, гравитационное притяжение между массами m₁ и m₂ растёт при сближении масс