10.1. Образование черных дыр

Существование черных дыр было предсказано английским священником и геологом Мичеллом в 1783 г. Позднее французский математик и астроном Лаплас писал о невидимых звездах в кн. "Изложение систем мира" в 1795 г.

Правда они не упоминали о черных дырах, а говорили о невидимых массивных звездах, которые из-за мощного тяготения не выпускают излучение (свет). Лаплас, например, писал, что если взять звезду с плотностью вещества как на Земле и диаметром в 250 раз больше солнечного (радиус Солнца R  710⁸ м), то вторая космическая скорость на поверхности такой звезды v₂c, т.е. звезда действительно будет невидимой для внешнего наблюдателя.

Например, на поверхности нейтронных звезд вторая космическая скорость v₂  150000 км/c, на Солнце  v₂  620 км/c, на Луне  v₂  2,4 км/c; на Юпитере  v₂  61 км/c.

По теории Ньютона поле тяготения зависит только от массы тела. Поэтому сила тяготения стремится к бесконечности, когда тело сжимается в точку (R0). По теории Эйнштейна в создании тяготения участвуют давление и натяжение, если они имеются в теле, электромагнитное поле и другие виды энергий. Но по Эйнштейну, сила тяготения будет стремиться к бесконечности, когда радиус сжимающегося тела станет равным гравитационному радиусу.

Величина гравитационного радиуса определяется массой тела.

Гравитационный радиус  радиус сферы, когда сила тяготения, создаваемая сферической не вращающейся массой, стремится к бесконечности.

Гравитационный радиус определяют по формуле

,

где   гравитационная постоянная; с  скорость света в вакууме.

Для Земли гравитационный радиус r_g = 0,9 см; для Солнца  r_g =3 км.

Известно, что силу тяготения нельзя ничем уничтожить. Но действие этой силы можно полностью устранить, если дать телу свободно падать. Наступает состояние невесомости, которую хорошо ощущается космонавтами при полете, например, вокруг Земли. С этим свойством тяготения связана проблема теории гравитации  проблема энергии поля тяготения. Можно определить полную энергию гравитационного поля, созданного телом массы m во всем пространстве, но нельзя указать, где конкретно находится эта энергия, т.е. нет понятия плотности энергии гравитационного поля.

Шварцшильд, анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, нашел решение для поля тяготения сферического тела. Причем это решение было точным и справедливым для сколь угодно сильного поля тяготения, созданного сферической массой. Как позже выяснилось, в этом решении содержалось описание черной дыры. Согласно теории Эйнштейна вторая космическая скорость, при достижении гравитационного радиуса, становится равной скорости света в вакууме.

Сферу, у которой радиус равен гравитационному, называют сферой Шварцшильда.

Если тело свободно сжимается, то на поверхности такого тела не ощущается никакой силы тяготения и вне и снаружи сферы Шварцшильда.

Увлекаемое тяготением вещество не может остановиться на сфере Шварцшильда (иначе оно испытывало бы бесконечную силу тяготения) и продолжает сжиматься к центру. Тем более, что сжатие не может остановиться и внутри сферы Шварцшильда.

Любая частица или, например, космический корабль, оказавшись на расстоянии меньше гравитационного радиуса, должна неудержимо падать к тяготеющему центру.Такое явление неудержимого сжатия тяготеющего тела (например, сжимающейся звезды) получило название гравитационного релятивистского коллапса, вызывающего возникновение черной дыры.

Гравитационный коллапс  гидродинамическое сжатие космического объекта под действием собственного тяготения, приводящее к значительному уменьшению его размеров.

Если любое тело сжать до размеров гравитационного радиуса, то никакие силы не смогут остановить его дальнейшего сжатия под действием сил тяготения. Такой процесс может происходить с достаточно массивными звездами (массой более двух солнечных масс).

При наступлении гравитационного коллапса из-под сферы радиуса r_g не может выходить никакое излучение, никакие частицы.

В настоящее время считается доказанным на 99% существование около десятка черных дыр во Вселенной, например, одна из них находится в созвездии Лебедя (Лебедь X). Предполагается существование сверхмассивных черных дыр в ядрах некоторых галактик.