Мумии звезд 3-го типа. Черные дыры.
Мы уже обсуждали мумии звезд 1-го ( Белые карлики) и 2-го ( Нейтронные звезды) типов. Равновесие первых поддерживается балансом давления вырожденного электронного "газа" и гравитации, вторых - балансом давления вырожденного нейтронного "газа" и гравитации. Массы белых карликов лежат в интервале 0,5÷1,35 Мsun, а нейтронных звезд - в интервале 1,1÷2,2 Мsun. Границы между этими интервалами перекрываются и область перекрытия являет собой полосу, обусловленную спецификой индивидуальных особенностей процессов умирания материнских звезд.
И белые карлики, и нейтронные звезды являются по сути центральными частями (ядрами) умерших звезд. Поэтому возникает естественный вопрос - чем будут являться мумии настолько массивных звезд, что их ядра будут гораздо массивнее максимально массивных нейтронных звезд?
1. Черные дыры и их загадки.
В какие мумии следует превращаться звездам настолько массивным, что их остатки (ядра) даже после сброса оболочек звезд в их вспышках как сверхновых имеют массы, превышающие максимально наблюдаемую у нейтронных звезд ~ 2,2 Мsun? Обычно на этот вопрос отвечают - такие остатки должны стать черными дырами.
И с одной оговоркой оказываются правы - если эти остатки имеют массы, ощутимо превышающие 5 Мsun. Ибо мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun надежно не наблюдается. Вне этого интервала - великое множество, а внутри интервала - эпизодические подозрения:
Поэтому будем разбираться - что есть черные дыры и почему нет мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun?
2. 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 именно 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 радиус ее горизонта событий как в теории всемирного тяготения Ньютона, так и в ОТО Эйнштейна:
Rg = 2GMчд/c2. (1)
Таким образом, черная дыра есть объект, на границе которого вторая космическая скорость становится равной 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 любого объекта пропорциональна его средней плотности и кубу его радиуса: Mчд = 4πρчдRg3/3. Поэтому для удобства обсуждении проблем ЧД выразим среднюю плотность ЧД через отношение массы Солнца к массе ЧД:
ρчд = ρо(Msun/Mчд)2 г/см3, (2)
где Msun - масса Солнца, а
ρо = (3/32π)×(c²/G)3/Msun2≈ 1,85×1016 г/см3. (3)
3. 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 выше). 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, вряд ли имеют под собой реальную основу.
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.
Что же касается максимально возможных масс черных дыр, образующихся в конце эволюции самых массивных звезд, то однозначного ответа на этот вопрос нет. Общественное мнение полагает, что такие ЧД имеют массы не превышающие 60-65 Msun.
И белые карлики, и нейтронные звезды являются по сути центральными частями (ядрами) умерших звезд. Поэтому возникает естественный вопрос - чем будут являться мумии настолько массивных звезд, что их ядра будут гораздо массивнее максимально массивных нейтронных звезд?
1. Черные дыры и их загадки.
В какие мумии следует превращаться звездам настолько массивным, что их остатки (ядра) даже после сброса оболочек звезд в их вспышках как сверхновых имеют массы, превышающие максимально наблюдаемую у нейтронных звезд ~ 2,2 Мsun? Обычно на этот вопрос отвечают - такие остатки должны стать черными дырами.
И с одной оговоркой оказываются правы - если эти остатки имеют массы, ощутимо превышающие 5 Мsun. Ибо мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun надежно не наблюдается. Вне этого интервала - великое множество, а внутри интервала - эпизодические подозрения:
Поэтому будем разбираться - что есть черные дыры и почему нет мумий звезд в интервале ~ 2,2 - 5,5 Мsun?
2. 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 именно 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 радиус ее горизонта событий как в теории всемирного тяготения Ньютона, так и в ОТО Эйнштейна:
Rg = 2GMчд/c2. (1)
Таким образом, черная дыра есть объект, на границе которого вторая космическая скорость становится равной 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 любого объекта пропорциональна его средней плотности и кубу его радиуса: Mчд = 4πρчдRg3/3. Поэтому для удобства обсуждении проблем ЧД выразим среднюю плотность ЧД через отношение массы Солнца к массе ЧД:
ρчд = ρо(Msun/Mчд)2 г/см3, (2)
где Msun - масса Солнца, а
ρо = (3/32π)×(c²/G)3/Msun2≈ 1,85×1016 г/см3. (3)
3. 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 выше). 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, вряд ли имеют под собой реальную основу.
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.
Что же касается максимально возможных масс черных дыр, образующихся в конце эволюции самых массивных звезд, то однозначного ответа на этот вопрос нет. Общественное мнение полагает, что такие ЧД имеют массы не превышающие 60-65 Msun.