Путешествие в черную дыру

Итак, черная дыра… Одно название пугает своей чернотой и непредсказуемостью. Сегодняшние описания черных дыр, как правило, начинаются с нагоняющих животный страх фраз: «ненасытное чудовище, сидящее в центре нашей Галактики», «безжалостная пожирательница космического вещества», «пугающая пропасть», «…что даже свет, попавший в нее, не может вырваться из черной дыры…».

Эмоций и страшных историй, хоть отбавляй, но реальную картину происходящего на просторах Вселенной современная космологическая наука пока, к сожалению, показать не может.

Первые прогнозы о существовании черных дыр появились в общей теории относительности А. Эйнштейна. Он предположил, что в результате коллапса массивных звезд и звездных систем могут образовываться своеобразные области, характеризующиеся действием в них мощнейших гравитационных сил. Эти гравитационные силы начинают притягивать другие звезды, что приводит к увеличению массы черной дыры и усилению ее мощности.

Считается, что масса черной дыры в нашей Галактике составляет примерно 4 миллиона солнечных масс. Чтобы хоть как-то понять величие черной дыры, можно представить наше Солнце песчинкой размером один миллиметр. В этом случае, черная дыра будет представлять собой некую воронку размером в несколько километров. Но наша черная дыра еще достаточно мала по сравнению с черными дырами в других галактиках, которые достигают нескольких сотен миллионов масс нашего Солнца. В этих черных дырах образуется колоссальная концентрация массы, что приводит к созданию мощнейшего гравитационного поля в центре галактик (Рис. 8).

Вместе с тем, известно, что черные дыры чаще появляются в сформированных спиральных галактиках. Только в них возможны столь мощные гравитационные силы, которые способны сформировать сверхмассивную черную дыру.

Сверхмассивная черная дыра – это показатель зрелой спиральной галактики, так как на начальном этапе ее развития, как впрочем и в более ранних видах галактик, возникает великое множество больших и малых черных дыр. В процессе роста черных дыр более мощные поглощают более мелкие. В результате в галактике могут сформироваться два центра с двумя массивными черными дырами. Это можно наблюдать в спиральных галактиках. Эти дыры находятся в сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Яркое свечение, появляющееся при столкновении звезд и звездных систем, движущихся к черным дырам, образует видимое светящееся пространство, которое астрономы назвали «перемычкой».

Не вижу необходимости выделять этот вид галактик в отдельную группу, так как это просто определенный этап формирования одного вида галактики – спиральной. Со временем, силы гравитации притягивают черные дыры друг к другу и более мощная поглощает свою соседку. Обе дыры сливаются в одну сверхмассивную черную дыру галактики. Эти процессы в различных стадиях эволюции галактик можно наблюдать во Вселенной.

Но даже при слиянии массивных черных дыр в сверхмассивную, в галактике продолжают появляться небольшие черные дыры, располагающиеся вдали от центра.

Астрономы наблюдают и достаточно большие черные дыры вблизи сверхмассивной черной дыры. В этом нет ничего особенного. Просто эта черная дыра находится на этапе сближения с сверхмассивной черной дырой и обязательно превратиться в объект ее поглощения. Дело времени. Черные дыры в спиральных галактиках чрезвычайно активны.

Рис. 8 Черная дыра

Однако, в настоящее время ученые отмечают, что падающее в черную дыру вещество в виде звезд, планет, космической пыли и газа может излучать мощные ультрафиолетовые и рентгеновские волны, а также огромные области нагретого космического газа. Потоки нагретого газа пронизывают всю галактику и по мнению исследователей обладают очень большой энергией.

Какова природа этой энергии? Каков механизм воздействия этих энергетических потоков на саму галактику? Эти вопросы пока не имеют ответов. Как нет ответов и на вопросы о том, будет ли черная дыра в нашей Галактике активизироваться и увеличиваться и как это отразиться на нашей цивилизации, какова ее структура и куда пропадает поглощенное вещество?

Постараемся разобраться.

Размышления.

Надо понимать, что черные дыры не случайные гости в нашей Вселенной. И это не загадочные пожирательницы материи, имеющие цель только проглотить и уничтожить. Черные дыры – это некий механизм совершенствования Вселенной. Именно через них шлифуется процесс возникновения и существования галактик и звездных систем. Именно они являются вселенскими фабриками по производству энергии из поглощаемой ими материи. Более того, их появление предопределено Законом равновесия противоположностей.

Почему? Потому что наше Солнце и триллионы других звезд во Вселенной в соответствии со взглядами исследователей являются некими фабриками по производству химических элементов, то есть материи. В глубинах их огромных раскаленных тел при громадном давлении происходят ядерные реакции, результатом которых является формирование различных элементов, составляющих основу периодической системы Д. Менделеева. В нашем Солнце содержится не только водород и гелий, но и углерод, и железо, и кальций, и многие-многие другие тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции происходят при постоянной подпитке звездного тела космической энергией. Если бы эта энергия не поступала к звездам, то и они, и наше Солнце, несмотря на его огромные по нашим меркам размеры, давно бы прогорело, истратив весь запас имеющихся в нем водорода и гелия. Поэтому энергия постоянно поступает к звездам, подпитывая и разогревая их.

Но если есть система, вырабатывающая из энергии материю, то, в соответствии с Законом равновесия противоположностей, вполне логично предположить, что во Вселенной должна быть и система, способная создавать из материи – энергию. Иначе, это войдет также в противоречие с законом сохранения энергии и мы получим незамкнутую систему, а значит и неработающую.

Такой космической системой, полагаю, и являются черные дыры. Они великие труженицы Вселенной перерабатывающие несметное количество космического газа, пыли, астероидов, комет, планет и звезд. Черные дыры – это мощнейшие вселенские мельницы, способные перемолоть вещество любой плотности и любого размера. Они скрупулезно расщепляют каждую молекулу, каждый атом и каждую материальную частицу на энергетические составляющие, из которых в свое время создавалась материальная составляющая нашей Вселенной.

Они являются тем недостающим звеном, которое позволяет получить замкнутую вселенскую систему: энергия – материя – энергия. Только замкнутая система имеет право на существование. Только такая система может устойчиво и слаженно работать.

Так как же она работает?

Посмотрим на спиральные галактики. Как правило, они представляют собой огромные скопления звезд и звездных систем с ярко выраженным центром, вокруг которого они движутся со скоростью – более 200 км/сек. Также движется и наша Солнечная система в нашей Галактике – Млечный Путь. Скорость движения нашей Солнечной системы в пространстве составляет примерно 220 км/сек. Она движется вокруг центра нашей Галактики, находясь на ее окраинах.

В центре нашей Галактики находится ядро со сверхмассивной черной дырой. Астрофизики полагают, что черная дыра имеет только одно входное отверстие, через которое поглощает звезды и звездные системы, выбрасывая в космическое пространство струи горячего газа и потоки энергии в виде своеобразных «пузырей». Это происходит эпизодически. Черная дыра как бы пульсирует, поглощая и выбрасывая вещество из своего чрева.

Астрономы, опираясь на результаты наблюдений образующихся из черных дыр «пузырей», полученных с помощью рентгеновских и радиотелескопов, считают, что черная дыра выбрасывает из своего чрева порядка 25 процентов захваченного ей вещества, поглощая при этом три четверти, падающих в нее звезд, космического газа и пыли. Результаты наблюдений уникальны и верны, однако выводы, которые сделали астрономы заставляют более детально рассмотреть процессы, возникающие в черных дырах.

В 1974 году замечательный физик и мужественный человек, заслуживающий самого высокого признания, С. Хокинг, понимая, что черные дыры не могут работать только на поглощение звезд и вещества, высказал предположение, что черные дыры испускают примерно 25 процентов разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов. Этот эффект был назван излучением Хокинга или испарением черных дыр.

Здесь начинаются неясности, так как, видимо, чтобы не противоречить общей теории относительности, стоящей на позиции работы черной дыры только «на прием», процессу излучения исследователи придали квантовый характер. При этом, оговорились, что понятие о черной дыре как об объекте ничего не излучающем корректно до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты, которые ведут к тому, что черная дыра должна по всем квантовым канонам непрерывно излучать энергию.

Для обоснований этих предположений на сцену вышли и физический вакуум, и виртуальные частицы, и вдруг рождающиеся прямо из вакуума пары частица-античастица, которые в процессе сложных преобразований наделяли частицу способностью преодолевать мощное гравитационное притяжение черной дыры. Не очень все понятно и к тому же, извините, нашей Вселенной абсолютно все равно учитываем ли мы действия сформулированных вначале двадцатого столетия законов квантовой механики или нет, противоречат ли наши взгляды общей теории относительности или не противоречат.

Вселенная живет своей «законной» жизнью, о которой мы можем судить лишь по природным явлениям, возникающим в той или иной сфере Вселенной. Наша задача, изучая эти явления, попытаться понять их суть с учетом всех взаимоотношений и взаимосвязей с другими явлениями с тем, чтобы добраться до вершины истины и не сорваться в пропасть ложных утверждений и ошибочных предположений.

Правда, эти теоретические утверждения исследователей хоть как-то позволили обосновать отсутствие ненаблюдаемого в пространстве явления, когда черная дыра, ничего не излучая, могла бы «доесть» свою галактику и страшным монстром выйти на широкую дорогу Вселенной для дальнейшего удовлетворения своего разыгравшегося аппетита. Черную дыру, безусловно, нужно было «разгружать», однако совсем иным способом.

Действительно, если бы черная дыра концентрировала пусть даже три четверти захваченных звезд и звездных систем, то во Вселенной время от времени обязательно появлялась бы, к примеру, карликовая галактика со сверхплотным ядром, которое бы в малом объеме умещало бы в себе практически всю поглощенную черной дырой галактику. Представляете, какой гравитационной мощностью обладала бы такая карликовая галактика! Она бы превратилась в сверхагрессивную структуру, своеобразную космическую пиранью, которая без труда вырывала бы у соседних галактик массивы звезд и звездных систем, преображаясь в некого галактического злобного карлика, сила которого росла бы с неимоверной быстротой. Такие карлики без труда могли бы за сравнительно короткое время уничтожить все звезды в нашей Вселенной, а затем и друг друга, оставив после себя тьму и пустоту и лишь одного карликового императора карликовой Вселенной. Хоть и самого сильного, но зато в одиночестве.

К нашему счастью, этого не происходит. Астрономы не обнаружили следов таких космических объектов. Карликовые галактики смиренно присоединяются к своим более мощным соседям и вся Вселенная, слава Господу, живет своей спокойной налаженной жизнью. Таким, образом, выводы, сделанные приверженцами этой теории можно с уверенностью сказать, не совсем верны, если постараться не обидеть заслуженные умы человечества, и утверждать, что они абсолютно не верны, если стоять на позиции поиска истины.

Однако, возникает резонный вопрос: «Куда же пропадает огромное количество вещества, поглощенное черной дырой?».

Попробуем ответить на этот совсем непростой вопрос. Непростой не с точки зрения возможного возникновения изъянов нашего воображения, а с позиций вероятного отторжения наших взглядов тем научным сообществом, которое устойчиво обороняет привычные постулаты столетней теории относительности. Однако, давайте попробуем! Если увидите нестыковки или ошибки – пожалуйста, подскажите. Исправим! Обязательно. Хоть это и не совсем приятно признаваться в своих оплошностях, но Истина важнее. Из этого и будем исходить.

Предположение.

Во-первых, логические рассуждения приводят нас к тому, что если есть вход, то необходимо, без сомнений, поискать и выход. Нам становится понятным, что черная дыра не может только поглощать вещество, утрамбовывая в себя целые галактики, превращаясь в страшного гравитационного монстра. Если бы это происходило, то мы бы обязательно это обнаружили во Вселенной. Если же столь мощной концентрации не происходит, то, вероятно, черная дыра, действительно, имеет не только вход, но и выход!

Во-вторых, в поисках ответа на этот вопрос нам не обойтись и без подсказок. Они есть и природа щедро дарит их нам. Нужно только уметь их видеть. И размышлять.

Многие из нас, естественно, наблюдали образование водоворотов на реке или при сливе воды в ванной (Рис. 9).

Без сомнения, вам приходилось наблюдать, как размешивают ложкой сахар в стакане душистого чая, воздействуя ложкой на воду и создавая воронку, которая засасывала чаинки ко дну стакана. Нечто подобное происходит и с черной дырой в галактике. Принцип работы черной дыры на начальном этапе очень напоминает действие воронки. Черная дыра засасывает звезды также, как засасываются чаинки в стакане чая. С той лишь разницей, что чаинки, в конце концов, формируются на дне стакана. Не исключаю, что именно этот прототип явился основой для построения модели черной дыры, как некого концентратора космического вещества.

Однако природа дает нам еще одну подсказку – торнадо, смерч, циклон и т.д. Торнадо – это, по сути, такая же воронка, только перевернутая или, если можно так выразиться, вывернутая. Торнадо засасывает земную пыль и различные предметы с земли и устремляет их вверх. По отношению к водовороту, в котором предметы направляются ко дну воронки, в торнадо предметы двигаются в противоположном направлении, устремляясь от дна – вверх к максимальному диаметральному размеру воронки (Рис.10).

Попробуем объединить два явления природы – воронки водоворота и торнадо, мысленно соединив их донные области. У нас получится некая конструкция, засасывающая предметы во внутрь воронки (назовем ее фронтальной воронкой) и через какое-то время выбрасывающая их наружу через противоположную воронку (назовем ее тыльной воронкой). Между собой они соединяются своеобразным туннелем. Все предметы, попавшие во фронтальную воронку, будут, спустя мгновения, выброшены через противоположную (тыльную) воронку. Ничего не пропадет и не уйдет в сторону.

Примерно также, полагаю, устроена и черная дыра. На мой взгляд, сверхмассивная черная дыра возникает только во вращающихся спиральных галактиках в результате воздействия гравитационных сил. Эти силы формируют выраженный центр галактики – ее ядро и мощные потоки звезд перемещающиеся к центру ядра, в виде своеобразных спиральных рукавов. Сверхмассивная черная дыра имеет две противоположные воронки: фронтальную и тыльную, соединенные галактическим туннелем (Рис. 11).

В процессе приближения звезд к ядру в центральной части галактики происходит уплотнение звездной массы, скорость вращения звезд вокруг центра галактики увеличивается и гравитация возрастает. Звезды и звездные системы, приближаясь к черной дыре, под действием гравитационных сил ускоряют свое движение. Чем ближе они к краю черной дыры, тем скорость у них больше, вращательный момент увеличивается до невероятных величин, расстояния между звездами и планетами уменьшается и они «сваливаются» во фронтальную воронку черной дыры.

Внутри черной дыры фронтальная воронка переходит в длинный сужающийся туннель, в котором звезды и планеты, перемешиваясь с космической пылью и газом, сталкиваются друг с другом. Происходят фантастически мощные взрывы, сопровождающиеся выделением невероятного количества энергии. Вещества, попавшие в этот круговорот, разлагаются на элементарные частицы. Ядерная энергия, освобожденная в результате мощнейших звездных столкновений, доводит температуру и давление до гигантских значений – более 10 триллионов градусов! Все космическое вещество испаряется и превращается в раскаленные потоки энергии.

Рис. 9 Воронка водоворота

Рис.10 Воронка торнадо

Рис.11 Строение сверхмассивной черной дыры галактики

Туннель продолжает ссужаться, скорость вращения, давление и температура увеличиваются и вещество из плазменного состояния переходит в состояние энергии. Это уровень не гипотетических кварков и лептонов, а гораздо более высокий, характерный для мельчайших энергетических частиц.

Высокое давление и температура в туннеле черной дыры позволяют потокам энергии набирать скорость намного превышающую скорость света. Поток энергии, стремительно вращаясь, продвигается по туннелю, в виде сконцентрированного, плотного и сравнительно узкого пучка. Длина туннеля в нашей Галактике может составлять порядка 2000 световых лет, поэтому процесс формирования потока по земным меркам достаточно длителен. Из туннеля вращающийся раскаленный поток энергии попадает в тыльную воронку черной дыры и, затем, вырывается в космическое пространство.

Температура окружающей среды многократно ниже температуры потоков энергии, вырывающихся из туннеля черной дыры, поэтому в окружающем пространстве потоки энергии начинают охлаждаться. В районе взаимодействия разгоряченных потоков энергии и холодной окружающей среды возникают видимые границы, расширяющиеся в пространстве. Со временем нагретое расширяющееся пространство вокруг пучка энергии постепенно приобретает вид своеобразного «пузыря» (название мне, честно говоря, не очень нравиться, но в специальной литературе оно достаточно распространено), который простирается на десятки тысяч световых лет.

При достижении определенных температурных условий начинается обратный процесс постепенного перехода раскаленного потока энергии в фундаментальные и элементарные частицы, в атомы и молекулы. Этот процесс подчиняется закону иерархии и закону всеобщей взаимосвязи.

Пресловутый «пузырь» наполняется разгоряченными потоками энергии и увеличивается в размерах. Температура внутри «пузыря» постепенно снижается. Более активно это снижение происходит на границах с окружающей средой. Энергия постепенно уплотняется и капсулируется в различные по своим размерам частицы. В это время «пузырь» в основном состоит из разгоряченной энергии и различных частиц. Проникая в пространство, «пузырь» захватывает космические газ, пыль и различные астероиды, а также отдельные группы звезд из карликовых галактик, которые не успели соединиться с более мощными галактиками. Размер раздувающегося «пузыря» зависит от мощности и активности черной дыры.

В областях, где поток энергии и материальных частиц в виде космического газа внутри «пузыря», сталкивается с захваченными из космоса предметами, возникают активные турбулентные завихрения. Они формируют материальные плотности, в которых начинают свое действие гравитационные силы, привлекая все больше и больше окружающего вещества.

Со временем четкие границы «пузыря» стираются и все имеющиеся в нем космические объекты продолжают свой путь внутри пространства. Скорость движения вновь созданных частиц и атомов снижается, потоки энергии и разгоряченного газа под действием гравитационных сил ядра галактики постепенно меняют свое направление и, образуя своеобразную сферу (галактическую корону), возвращаются к галактическому диску.

Почему же и как в ядре галактики возникают противоположные воронки и галактический туннель?

Все дело в том, что столкновение звездных масс в галактическом центре сопровождается мощным выделением энергии и увеличением массы ядра галактики. Это приводит к усилению гравитации и скорости вращения галактического ядра. Центробежные силы при вращении ядра как бы растягивают его, создавая на его центральных поверхностях некие зоны сниженного давления. В этих зонах начинают проявляться мощные гравитационные силы, исходящие из центра ядра галактики. Создаются условия для создания своеобразной двусторонней воронки, которая втягивает в себя все большее и большее количество вращающихся звезд, находящихся в спиралевидных рукавах (Рис.12).

Усиление гравитации расширяет возможности черной дыры по поглощению звезд и звездных систем. Увеличение количества поглощенных звезд, со своей стороны, приводит к увеличению массы черной дыры и к дальнейшему усилению гравитации, а, значит, и мощи, и размеров черной дыры. Скорость вращения черной дыры начинает на порядки превышать скорость вращения планет в нашей Солнечной системе. Звезды при приближении к черной дыре, также ускоряют свой ход, достигая невероятно высоких скоростей.

По сути, внутри вращающегося ядра возникают два направленных друг к другу конусообразных потока звезд и планет, которые в центральной части ядра галактики сталкиваются. На начальном этапе в ходе столкновения происходит мощнейший взрыв, сопровождающийся выбросом огромного количества энергии и приводящий к локальному расширению пространства внутри галактического туннеля, находящегося в центре ядра галактики.

Образованные в результате этого взрыва потоки энергии, выбрасываются с двух противоположных воронок черной дыры в виде ярких светящихся энергетических струй - джетов. Со временем эти раскаленные струи остывают и превращаются в огромные горячие пузыри, простирающиеся на огромные расстояния. Эти явления астрономы довольно часто обнаруживают в космическом пространстве в различных галактиках. Безусловно, они настолько интересны, что мы не можем пройти мимо этих явлений, оставив их без своего внимания. Поэтому в ходе нашего путешествия мы обязательно с ними познакомимся поближе.

Столкновение противоположно направленных потоков звезд и планет не только инициирует взрыв, но и объединяет две воронки черной дыры в единое пространство – в галактический туннель. Противоположные вращающиеся потоки словно пробуривают ядро галактики, образуя систему: фронтальная воронка – галактический туннель – тыльная воронка. Взрыв внутри ядра, по сути, свидетельствует о том, что черная дыра образовалась, и дан старт для ее функционирования.

Черных дыр в одной галактике может быть несколько. Они могут возникать там, где локально появляются сосредоточения звезд и планет. Однако, со временем эти черные дыры будут поглощены более мощными черными дырами. В процессе эволюции галактики, когда в центре галактики будет сформировано единое ядро, в нем произойдет образование самой мощной черной дыры галактики. Такую дыру принято называть сверхмассивной черной дырой.

Сверхмассивная черная дыра будет активно функционировать до тех пор, пока максимально возможное количество звезд и звездных систем галактики не будут ею поглощены. Однако «производственная деятельность» черной дыры может иметь активную фазу и вполне прогнозируемые неактивные периоды. Эти неактивные периоды обусловлены расстояниями между звездами и звездными системами, которые могут неравномерно поступать во внутрь черной дыры.

Рис.12 Механизм возникновения черной дыры

Следует отметить, что, израсходовав максимально возможную массу звезд в галактике, черная дыра выходит из своей активной фазы. Ядро галактики постепенно также перерабатывается черной дырой, воронки и туннель уменьшаются в размерах, достигая минимальных размеров. В процессе ее работы во Вселенной образуются мощные потоки энергии и огромное количество частиц, которые остывают и постепенно организовываются в атомы, представляя собой облака межзвездного газа и пыли.

Таким образом, черная дыра – это своеобразная фабрика потоков энергии, которые распространяются во Вселенной. Она является одним из важнейших механизмов преобразования материи в энергию. Черная дыра состоит из двух галактических воронок и соединяющего их галактического туннеля.

Одна из них – фронтальная, находится в центре ядра на внешней стороне галактики и выполняет функцию сбора звезд, планет и других космических объектов галактики в единое пространство (черную дыру), предопределяющее их безусловное столкновение.

Галактический туннель обеспечивает возможность прохождения термоядерных реакций, возникающих в процессе столкновения звезд и планет, и переход материи в энергию.

Вторая воронка – тыльная, находясь в центре ядра на противоположной стороне галактического диска, функционально является неким диффузором распределяющим полученный поток энергии по просторам галактики.

Однако, это далеко не все функции черной дыры. В этом определении представлена только их часть. Полное определение будет дано только после того, как мы разберемся с темной материей и темной энергией.