Математическое описание.

Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой V²=2GM/R, где M – масса космического объекта, R – его радиус, G – гравитационная постоянная. Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название гравитационный радиус - r_g), при котором скорость убегания равна скорости света: r_g=2GM / c².

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r_g < 2GM / c², перестанет излучать – свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2·10³³ г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10¹⁶ г/см³. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчелла и Лапласа более ста лет считались чем‑то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r_g, образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света и за границей которой мы не сможем получить никакой информации.

Тесные двойные системы.

В космосе часто встречаются звездные пары, в которых одним компонентом является звезда-гигант (или сверхгигант), а вторым – маленькое компактное тело, которое может являться или черной дырой или нейтронной звездой. Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных системах. Об их наличии свидетельствует отсутствие проявлений твердой поверхности, характерных для нейтронных звезд, и наличие массы у невидимого компонента более 3 солнечных. Ее гравитационное поле может оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной дыры. Газ начинает отделяться от внешних слоев звезды и падать на невидимый спутник по спирали, причем сам газ будет доступен наблюдениям. Газ постоянно ускоряется, его частицы постоянно взаимодействуют между собой – в результате газ сильно разогревается и становится источником высокоэнергичного излучения в гамма и рентгеновском диапазонах. Следовательно, излучает не сама черная дыра, а газ на подходе к ней. Такое излучение невозможно принять с Земли, его не пропустит атмосфера. Его регистрируют при помощи внеатмосферных приемников рентгеновского излучения (космические обсерватории). Видимая звезда выдает наличие своего невидимого партнера своим движением. Она обращается вокруг “пустого” места. Одним из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры является ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1. Газовый диск с газовыми струями, излучающих рентген, огромная голубая звезда с массой не менее 10 солнечных, кружащая вокруг рентгеновского источника – вот портрет далекой звезда V 1343 в созвездии Орла, более известной как объект SS 433. До 1978г эта звезда не привлекала к себе особого внимания. Открытия последовали в 1979-1980гг и продолжаются до сих пор. Наблюдая за звездой ночью, американским и итальянским астрономам удалось обнаружить в спектре этой звезды 3 системы эмиссионных линий водорода и гелия. Кроме ярких основных и неподвижных линий имелись 2 системы линий, “гулявших” по спектру с периодом 163 дня. Эти смещения говорили о движении вещества в двух противоположных направлениях со скоростью, достигающей четверти скорости света ~ 78000км/с. Детальные наблюдения показали, что SS 433 – тесная затменная система, период обращения которой равен 13,1 суток. Видимая голубая звезда имеет температуру около 30000К и обладает светимостью, примерно в миллион раз превышающую светимость солнца. Она слишком велика, чтобы сохранить свою целостность в поле тяготения очень компактной второй звезды, и поэтому с нее постоянно перетекает вещество на соседку, образуя аккреционный диск. Наличие рентгеновского излучения окончательно подтвердило наличие компактного тела (черная дыра или нейтронная звезда), ведь только при аккреции на них испускается рентгеновское излучение. Компактный источник окружен непрозрачным и очень ярким слоем плазмы с температурой в сотни тысяч градусов. Рентгеновские спектры плазмы выявили мощнейшую ионизацию атомов железа, до гелие-водородоподобных состояний (т.е. вместо 26 электронов имеется только 1 или 2). Остальные выбиваются со своих орбит ударами релятивистских электронов или рентгеновскими квантами. Аккреционный диск раз в 13 дней затмевает звезду.

Другие рентгеновские источники в нашей галактике считаются черными дырами на основании иных - например, спектроскопических - аргументов. К примеру, полагают, что гамма-излучение (с энергиями более 100кэВ) внутренних частей аккреционного диска могло бы свидетельствовать о наличии черной дыры, а не нейтронной звезды, так как жесткое излучение отражалось бы поверхностью нейтронной звезды и охлаждало диск. Если это действительно так, то многие "гамма - новые", в которых измерение массы невозможно (из-за отсутствия оптической компоненты или иных сложностей), могут быть также хорошими кандидатами в черные дыры. Особенно это относится к Новой Орла 1992 года (Nova Aquila 1992) и источнику 1 E 17407-2942, у которых наблюдаются также радиовыбросы - "джеты". Эти "микроквазары", в которых идет как аккреция, так и выброс