Брайан Хейбл - Как устроена Вселенная

Теоретическая астрофизика использует аналитические методы для разработки новых теорий и для подтверждения уже существующих. Астрофизики-теоретики исследуют не только процессы и объекты Вселенной, но и многие популярные теории. В сферу их работы входит физика черных дыр, эволюция и строение звезд, звездная динамика, эволюция галактик, строение Вселенной и космология.

Один из наиболее важных элементов в современной астрономии – теория относительности Альберта Эйнштейна. Собственно, на ней построены фундаментальные труды всех точных наук: физика, астрономия, высшая математика ссылаются на работы выдающегося ученого. Теория относительности – основа наших знаний о гравитационных волнах и расширении космоса.

Отдельно хочется сказать о космологии, разделе астрофизики, изучающем свойства Вселенной. Она началась с физики элементарных частиц и той же теории относительности. Альберт Эйнштейн предполагал, что Вселенная изотопна, однородна и стационарна. Из этого следовало, что Вселенная конечна, замкнута и искривлена в пространстве. Однако второй великий ученый того времени – Эдвин Хаббл с помощью своих исследований микроволновых излучений, а также благодаря теории нестационарной Вселенной русского ученого Александра Фридмана смог доказать, что Эйнштейн ошибался и Вселенная не статична, она постоянно увеличивается в размерах. Из этих работ возникла общепринятая в наше время Теория Большого Взрыва, доказательств которой становится всё больше.

Большой взрыв – это стандартная космологическая модель, которая объясняет появление Вселенной и ее жизнь на ранних стадиях. Эта теория считает, что вначале был взрыв микрочастиц, который породил Вселенную. Так, существует космический аппарат для изучения реликтового излучения, которое образовалось при Большом взрыве, а отголоски его до сих пор доходят до Земли. Он называется WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) (читается Ви-мап) и был разработан НАСА. Он помог ученым построить самую точную и детальную карту микроволнового излучения, которая показала, что 70 процентов космической материи еще не изучено.

Из всех предсказываемых научными теориями объектов нашей Вселенной черные дыры пользуются наибольшей популярностью и производят самое сильное впечатление. Предположения и теории о существовании понятия «Черная дыра» высказывались задолго до публикации Эйнштейном его «Теории относительности», однако же убедительные данные о реальности этого явления получены совсем недавно. Долгое время считалось, что присутствие черных дыр общей теорией относительности допускается, хотя нет, уместнее будет сказать, предсказывается, в настоящем мире такие объекты просто не могли бы образоваться.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между двумя любыми телами с достаточно большой массой во Вселенной работает сила взаимного притяжения. Из-за этого тело вроде Земли обращается вокруг своей звезды – Солнца. Общая же теория относительности предлагает нам взглянуть на привычную систему Солнце – Земля под другим углом. Согласно данной теории, в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, привычное пространство-время (которые в современной физике считаются одним атомарным целым), грубо говоря, как бы проминается под его массой и целостность его материи нарушается.

Получается, что Земля как бы просто "катается" вокруг появившейся воронки. Также то, что мы привыкли воспринимать в обыденной жизни как гравитацию, является скорее изменением геометрии пространства. Получается, что здесь законы Ньютона совершенно бессильны, в то время как Эйнштейн снова оказывается прав.

Объект, который накопил высокую массу и плотность материи, как бы загоняет себя в ловушку: ткань пространства-времени смыкается, а космическое тело теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так и возникает черная дыра.

Всем известно по фантастическим кинофильмам важное свойство черной дыры – то, что в нее попало, обратно уже не вернется. Касается это всего – даже света, ведь так черные дыры и получили свое название: они поглощают свет, но не отдают взамен ничего, из-за этого они кажутся просто черным пятном в космическом пространстве. По данным общей теории относительности, если некий объект стремится к центру черной дыры и приближается в итоге на критическое расстояние, которое названо радиусом Шварцшильда, то поглощение этого объекта черной дырой неизбежно. Для массы небольшой звезды, вроде нашего Солнца, такое критическое расстояние составит три километра. То есть, чтобы Солнце превратилось в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка.

Общая теория относительности прогнозирует другие интересные факты – например, вся материя черной дыры концентрируется в сверхплотную точку в самом центре черной дыры. Это явление называется сингулярностью. Теоретически, конечная масса материи, имея бесконечную плотность, не занимает никакого пространства, однако происходит ли подобное явление в центре черной дыры на самом деле, экспериментально проверить невозможно.

Таким образом, фактически не имея возможности "разглядеть" черную дыру в обычном понимании слова, наблюдатель, тем не менее, сможет обнаружить ее наличие по определенным косвенным признакам, связанным с влиянием мощного гравитационного поля черной дыры на материю вокруг неё.

Теоретически, в центре каждой галактики (в том числе нашего Млечного пути) располагается огромная черная дыра, в миллионы раз массивнее нашего Солнца – такие черные дыры называют сверхмассивными. Эти сверхмассивные черные дыры были обнаружены при помощи наблюдения за движением межзвездного газа ближе к центру галактики. Наблюдения показывают, что газы перемещаются на небольшом удалении от сверхмассивного объекта. Методом довольно простых расчетов при помощи формул механики Ньютона выяснилось, что притягивающий их объект обладает невероятно огромной массой, имея при этом крайне небольшой диаметр – так влиять на окружающую материю может только черная дыра.

Современное представление астрофизиков об эволюции звезд показывает, что, когда звезда с невероятно большой массой (примерно 30 масс нашего Солнца) израсходует свое топливо и взрывается со вспышкой сверхновой, внешняя её оболочка уничтожается, а внутренняя прослойка стремительно коллапсирует – все это образует новую черную дыру.

Как говорилось ранее, изолированную в пространстве черную дыру обнаружить крайне сложно (практически невозможно), так как ее нахождение в разреженном вакууме и отсутствие каких-либо проявлений гравитационных взаимодействий делает её невидимой для разного рода оборудования. Есть небольшое исключение – если черная дыра когда-то входила в состав системы с двумя светилами, то она будет оказывать гравитационное влияние на парную ей звезду. На сегодня имеется несколько десятков кандидатов на роль подобной звездной системы, однако строгих доказательств по-прежнему нет.