Белые пятна Черных дыр

Определить, что находится внутри Черной дыры, тем более, сверхмассивной Черной дыры по внешним признакам невозможно в принципе. То ли в центре неё находится сингулярность, то ли плотно сжатая нейтронная звезда, то ли некое подобие сверхмассивного "атомного ядра". Поэтому поведение исходной, коллапсирующей нейтронной звезды в момент образования Чёрной дыры минимального размера представляет немалый интерес.

Согласно пределу Оппенгеймера – Волкова коллапс нейтронной звезды и превращение её в Черную дыру происходит при её массе, превышающей примерно 2.5 массы Солнца [1]. Считается, что до этого значения массы давление вырожденного нейтронного газа ещё способно компенсировать силы гравитации [2, 3]. Но что интересно. От внимания почему-то ускользнуло важное обстоятельство: расчеты показывают, что в момент коллапса радиус нейтронной звезды в точности равен гравитационному радиусу образовавшейся Черной дыры. Из этого проистекают, по меньшей мере, два следствия. Согласно общей теории относительности на горизонте событий Черной дыры время останавливается [4, с.145], поэтому для внешнего наблюдателя никакого падения вещества звезды на сингулярность [5] попросту быть не может. С другой стороны, в самый момент коллапса сила гравитационного сдавливания нейтронов звезды на много порядков меньше силы их ядерного взаимодействия.

Попробуем выяснить, сможет ли в действительности сила гравитационного притяжения нейтронов на поверхности звезды преодолеть силу их же ядерного отталкивания друг от друга? Кроме того интересно, поместятся ли нейтроны звезды в момент коллапса под её гравитационным радиусом? Ведь если объем коллапсирующей звезды больше, чем её исходный размер, то придётся признать, что "излишки" будут "затянуты" под горизонт, то есть упадут на сингулярность. И напротив, если объем звезды поместился под горизонтом, то, видимо, нет никакой необходимости ей падать на сингулярность, она и так создала горизонт событий. При этом дальнейший рост массы Черной дыры за счет поглощения внешнего вещества не вызовет увеличения её радиуса и выход из-под горизонта: гравитационный радиус растёт быстрее, чем радиус нейтронной звезды внутри горизонта событий, причем сила её гравитационного сдавливания по-прежнему будет меньше сил ядерного отталкивания нейтронов.

При расчетах будем использовать следующие исходные данные:

Более того, можно называть такое совпадение объемов просто невероятным – точность совпадения почти 10 процентов! Гравитационный радиус Черной дыры и радиус образовавшей её нейтронной звезды совпали с ещё большей точностью – порядка 4-х процентов. Из этого следует ещё один интересный вывод. Произведем расчеты, задав точное совпадение радиусов исходной нейтронной звезды и гравитационного радиуса образовавшейся Черной дыры. Несложные расчеты показывают, что этому условия соответствует масса нейтронной звезды, равная 2,342Mc, что, очевидно, является точным значением массы Оппенгеймера-Волкова, при которой нейтронная звезда коллапсирует в Черную дыру.

Рассмотренный процесс позволяет сделать еще один примечательный вывод. Следует ожидать, что момент коллапса является, по сути, ничем не примечательным событием в жизни нейтронной звезды. Составляющие её нейтроны лишь немного плотнее "смыкают свои ряды". При этом можно заметить, что плотность нейтронной звезды на этом этапе весьма далека от плотности атомного ядра. То есть, появление сингулярности в этом случае заметно надуманно.

Действительно, сила гравитации в 10³⁸ раз слабее ядерных сил. Силу гравитационного притяжения нейтрона на поверхности исследуемой нами звезды составляет

Именно эта сила прижимает каждый нейтрон на её поверхности к нижележащим нейтронам, именно эта сила, как ожидается, и должна "вдавить" нейтрон в тело звезды, уменьшая её радиус, стягивая её в сингулярность.

Но прежде чем нейтрон сможет деформировать нижележащие слои, он должен пройти этап ядерного взаимодействия. Чтобы вырвать нейтрон из атомного ядра, нужно приложить силу, значение которой, как указано, в 10³⁸ раз больше, чем сила гравитационного притяжения. Два нейтрона на расстоянии сильного ядерного взаимодействия в атомном ядре, равном примерно r_св~10^-15 м, будут притягиваться с условно названной "гравитационной силой сильного взаимодействия" F_гсв, которая равна

Это такая сила F_св, с которой нейтрон на поверхности звезды притягивался бы к следующему слою, если бы звезда представляла собой атомное ядро в обычном смысле. Как видим, эта сила F_св на много порядков превосходит силу гравитационного притяжения F_g.

И вновь мы приходим к очень показательному итогу. Выходит, что согласно гипотезе о сингулярности, крошечная сила гравитационного притяжения преодолевает намного превосходящие её силы ядерного взаимодействия. Нейтроны в атомном ядре притягиваются с огромной силой F_св, но стоило появиться крошечному гравитационному усилию F_гсв, как нейтроны сразу же превратились в эфемерный фермионный газ.

Можно ли представить себе картину, когда на двух сцепившихся тяжеловесов борцов сумо подул легкий ветерок и, что называется, "смял их в лепёшку"? Но для нейтронной звезды утверждается именно такая картина. Сжатие в сингулярность происходит потому, что "твердые как камень" нейтроны вдруг превратились в вырожденный фермионный газ [6], не способный оказать сопротивление даже ничтожно малому, как показано, гравитационному внешнему давлению. Сингулярность, как видим, базируется на очень зыбком фундаменте, на самом деле для образования горизонта событий Черной дыры в ней нет никакой необходимости.

Чему равен минимальный размер Черной дыры с сингулярностью?

Следует отметить, что полученные выше выводы, строго говоря, неполны. Картина сингулярности, что называется, нарисована с одной, так сказать, минимальной стороны. Для образования минимальной Черной дыры, как оказалось, понятие сингулярности и противоречиво и излишне. Но, может быть, сингулярность всё-таки образуется при дальнейшем росте массы Черной дыры?

В самом деле, чему должен быть равен диаметр внутреннего нейтронного "ядра" сверхмассивной Черной дыры, при котором сила гравитации на его поверхности превысит силу сильного ядерного взаимодействия? То есть, мы предполагаем, что вещество Черной дыры сразу после коллапса не схлопывается в сингулярность, а всё вновь захваченное ею вещество равномерно ложится на поверхность исходной Черной дыры, её нейтронное "ядро". Конечно, все это можно увидеть только с точки зрения внутреннего наблюдателя.

Для такого наблюдателя всё вещество будет неизбежно падать на поверхность сколлапсировавшей нейтронной звезды, увеличивая на её поверхности силу притяжения, ускорение свободного падения. Следовательно, можно ожидать, что рано или поздно для этого наблюдателя сила гравитационного притяжения нейтрона на поверхности такой сверхмассивной нейтронной звезды превысит силу сильного ядерного взаимодействия.

В этом случае возникает новое подобие громадного "атомного ядра", вырвать из которого нейтрон будет существенно труднее, чем из обычного ядра. Если сильное взаимодействие удерживает нейтроны в составе ядра, то возникшее ещё более сильное гравитационное взаимодействие, видимо, деформирует ядро вплоть до сингулярности, поскольку с уменьшением такого ядра сила сдавливания будет только увеличиваться. Поэтому так и будем считать, что у сил ядерного отталкивания есть предел и гравитация способна его преодолеть.

В этом случае для того, чтобы возникла сингулярность, необходимо, очевидно, чтобы сила притяжения нейтрона на поверхности нейтронной звезды, по меньшей мере, превышала силу сильного ядерного взаимодействия F_яв. Величину этой силы мы выше уже оценили по их соотношению и получили, что F_яв ~ 8х10²⁰ kg.

Такую силу гравитационного притяжения F_г может обеспечить только звезда общей массой, которую определяем из уравнения:

Сразу же возникает вопрос, насколько вероятно увеличение Черной дыры до таких размеров, если радиус наблюдаемой Вселенной составляет 13,7х10¹² лет? Кроме этого, такой радиус лишь обеспечивает равенство гравитационного притяжения на поверхности звезды силе сильного ядерного взаимодействия. Утверждение, что если сила гравитационного сдавливания будет больше, то нейтроны начнут бесконечно сжиматься – это все-таки ничем не обоснованное утверждение. Кроме этого, для внешнего наблюдателя такая сила притяжения вообще недостижима на бесконечном интервале времени, поскольку самый сильно притягиваемый нейтрон всегда будет оставаться на поверхности исходной нейтронной звезды, и по мере роста Черной дыры это притяжение будет только уменьшаться.

Для справки оценим массу полученной Черной дыры

Кстати, согласно стандартной модели теории Большого взрыва, полная масса вещества перед рождением Вселенной должна была превосходить всего лишь 10⁸³ кг. Кроме этого, согласно литературным данным, предельная масса сверхмассивной Черной дыры равна всего лишь 5х10¹⁰Мс.

Также для справки оценим вес единичной массы на горизонте событий

Как видим, все основные положения для Черной дыры выполняются, хотя, конечно, выглядит все это довольно странно. Известно, что космический корабль и даже свет не могут покинуть такой горизонт событий и избежать падения на сингулярность. Но на самом горизонте событий при этом наблюдается невесомость. Конечно, улететь на бесконечность невозможно, но что может помешать вылететь из-под горизонта Черной дыры в радиальном направлении, если гиря массой в один килограмм весит там меньше электрона?

Для сравнения найдем вес единичной массы на горизонте стандартной (минимальной) Черной дыры

Вновь мы получили сверх сверхмассивную Черную дыру, масса которой почти в 1000 раз больше массы максимально возможной Черной дыры.

Вращение Черной дыры для внешнего наблюдателя 

Как известно, любая Черная дыра характеризуется тремя параметрами – массой, моментом импульса и зарядом. Можно заметить, что момент импульса для внешнего наблюдателя выглядит несколько противоречиво. Для внешнего наблюдателя течение времени в Черной дыре остановлено, поэтому для него любое перемещение внутренних частей выглядит абсурдно. Действительно, рассмотрим падение на Черную дыру некоторого материального объекта. Приближаясь к горизонту событий, движение этого объекта для внешнего наблюдателя замедляется и полностью прекращается, когда объект "касается" горизонта. Но что это означает? Прекращается движение объекта в радиальном направлении, к центру Черной дыры. Время остановлено, поэтому по отношению к центру Черной дыры объект не перемещается. Но точно то же самое должно произойти и с его перемещением вдоль поверхности Черной дыры! Иначе нам следует признать, что в один и тот же момент по показаниям часов объекта он одновременно находится в двух (условно) местах.

Такие же выводы следуют согласно формализму ОТО и для сингулярности: с точки зрения внешней системы отсчета никаких сингулярностей внутри Черных дыр не может быть по определению. Поскольку темп времени внутри таких Черных дыр для нас остановлен, следовательно, с нашей точки зрения внутри них ничто, никакое вещество не может двигаться. Всякое движение внутри Черной дыры прекращается сразу же после коллапса, поэтому возникнуть сингулярность просто не может.

Наконец, для сверхмассивных Черных дыр можно сделать ещё один вывод. Объем таких Черных дыр может непрерывно с нашей же точки зрения увеличивается. Но всё падающее на неё вещество, согласно выводам ОТО, должно останавливается в той точке пространства, в которой мы его "видели в последний раз". То есть, всё падающее на Черную дыру вещество, в конечном счёте, по мере увеличения её горизонта оказывается "размазанным" по её объёму. Структура такой Черной дыры должна напоминать многослойную луковицу или кочан капусты.

Считается, что в каждой внутренней точке сверхмассивной Черной дыры плотность вещества ничтожно мала. Только в центре этой дыры плотность вещества может быть равна плотности находящейся там исходной нейтронной звезды. 

Как "выдернуть" космолет из-под горизонта Черной дыры? 

Если присмотреться, то можно обнаружить еще одну интересную картину. Если на горизонте событий сверхмассивной Черной дыры сила притяжения крайне мала, то присутствие массивного тела за пределами горизонта событий может помочь космолету "пересилить" притяжение сингулярности и вырваться из-под горизонта.

Рассмотрим возможность вытянуть гирю массой 1 кг из-под горизонта сверхмассивной Черной дыры в центре галактики Млечный Путь. Масса этой Черной дыры равна приблизительно 7,4х10³⁷ кг, а гравитационный радиус – ок.6 световых часов. Следовательно, сила притяжения гири на этом горизонте равна

Считается, что типичный радиус нейтронной звезды составляет около 10-20 км, следовательно, сама по себе она не попадает под горизонт и не касается его. Получается, что гипотетически, в принципе уйти из-под горизонта Черной дыры можно, то есть попадание под горизонт Черной дыры не является фатальным, необратимым.

Излучение Хокинга 

Согласно выводам Хокинга Черные дыры вследствие квантовых эффектов излучают тепловую энергию. Следовательно, уменьшают свою массу, то есть испаряются. Согласно литературным данным, на испарение Черной дыры может потребоваться время порядка 10¹⁰⁰ лет. Хотя это очень длительный срок, однако, по сравнению вечностью по часам на горизонте дыры это просто одно мгновение. Получается, что Черная дыра должна испариться раньше, чем её вещество упадет на сингулярность, и гипотеза об испарении Черной дыры тем самым делает сингулярность вообще сомнительным явлением.

С другой стороны, следует задуматься и над вопросом, а что именно испаряется в Черной дыре? Если Черная дыра содержит в своем центре сингулярность, то испаряется, видимо, эта сингулярность. Но некоторые физики, пусть очень мягко, невнятно, но признают, что из-за остановки часов на горизонте, вещество никогда для внешнего наблюдателя не упадёт на сингулярность. Для него, следовательно, вся масса только что возникшей Черной дыры сосредоточена в исходной нейтронной звезде, ушедшей под горизонт событий, сингулярность может образоваться лишь в бесконечно далекой перспективе. Поэтому, очевидно, должна испаряться именно эта исходная нейтронная звезда.

Понятно, что смысл, суть испарения чего-либо означает, в конечном счете, уменьшение массы испаряющегося объекта, то есть, в данном случае, исходной нейтронной звезды. Для простоты примем, что вокруг этой Черной дыры отсутствуют всякие источники материи, способные увеличить её массу. Следовательно, рано или поздно в процессе испарения масса "подгоризонтной" нейтронной звезды, то есть, масса соответствующей ей Черной дыры уменьшится.

Согласно гипотезе о хокинговском излучении полностью Черная дыра испарится за весьма длительный период времени, причём с взрывом. Однако, не дожидаясь полного испарения дыры и её взрыва, предположим, что в ходе такого испарения её масса уменьшилась, скажем, на 15 процентов. К чему это должно привести? Считается, что масса самой большой нейтронной звезды не может быть больше массы порядка 2,5 масс Солнца и, соответственно, меньше этой же величины не может быть масса самой маленькой Черной дыры. Следовательно, возникает противоречие: либо это ограничение неверно, либо испарившая часть своей массы Черная дыра должна перестать быть Черной дырой. Исходная нейтронная звезда словно "всплывет" из-под горизонта событий. Без взрыва.

Заключение 

Все приведённые выкладки не являются ни опровержением общей теории относительности, ни критикой её противоречий. Правильнее говорить, что в данной работе  подвергнуты критике ошибочные, некорректные трактовки её положений физиками.

Ошибочным является, в частности, вывод о невозможности покинуть горизонт событий Черной дыры [7, стр.136].

Сингулярность является плохо обоснованной абстракцией, которая не нужна для возникновения и объяснения горизонта событий Черной дыры.