Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Астрономия, Физика
Размещена 29.04.2021. Последняя правка: 06.05.2021.
Просмотров - 162

Возможно ли образование “чёрных дыр” без коллапса?

Кошкин Юрий Александрович

нет

самозанятый

нет

Аннотация:
Целью статьи является попытка объяснения отдельных моментов в механизме возникновения и эволюции “чёрных дыр”.


Abstract:
The aim of the article is to attempt to explain certain moments in the mechanism of the emergence and evolution of “black holes”.


Ключевые слова:
«Чёрная дыра»; пространство; Вселенная; галактика

Keywords:
«Black hole”; space; Universe; galaxy


УДК 53.02

1. Введение

В восемнадцатом веке И. Ньютон пришёл к выводу о корпускулярной природе света. Исходя из этого представления, а также закона гравитации, англичанин Д. Мичелл ещё в 1784 году первым в мире высказал логичную и здравую мысль о возможности существования в космическом пространстве своеобразных объектов, которые сейчас нам известны, как “чёрные дыры” [1].

В настоящее время их существование убедительно доказано, хотя и косвенным образом. Думается, что слово “косвенным” не должно никого смущать, ведь многие данные и факты получены именно таким образом. Никто, например, не брал напрямую пробу из облака межгалактического газа, не взвешивал на весах Солнце, не измерял линейкой диаметр атома и пр., но это не даёт повода в большинстве из этих фактов сомневаться.

2. Актуальность

Для современной науки “чёрные дыры” до сих пор являются по большому счёту загадочными объектами. Хотя в научном сообществе достигнут консенсус о непрерывности спектра масс этих объектов от микроскопических значений до сверхмассивных, сам механизм их образования и эволюции вызывает много вопросов, особенно для объектов, находящихся на крайних границах диапазона их масс. Получение ответов на эти вопросы имеет актуальное значение для понимания природы Вселенной в целом.

3. Цель

Целью данной статьи является попытка объяснения отдельных моментов в механизме возникновения и эволюции “чёрных дыр”.

4. Научная новизна

Если рассматривать “чёрную дыру” как состояние предельной  деформации локальной области пространства Вселенной, то в первую очередь нужно понять, какие причины смогут вызвать такое состояние.

Очевидно, что в соответствие с Общей теории относительности, для достижения такой степени деформации пространства, в его ограниченной области должно быть сконцентрировано чудовищное количество вещества. Теоретически возможный механизм такой концентрации хорошо проработан, и он включает в себя цепочку из следующих событий:

  • гравитационное сжатие облака газа (водорода) до такой степени, что в нём возникает термоядерная реакция, т.е. образуется и загорается звезда;
  •  тепловое излучение термоядерной реакции останавливает дальнейшее гравитационное сжатие;
  • в процессе выгорания водорода образуются новые элементы, вплоть до железа;
  • после того, как водород будет выработан, термоядерная реакция прекращается, и её тепловое излучение перестаёт сдерживать гравитационное сжатие;
  • происходит гравитационный коллапс звезды.

В зависимости от начальной массы, звезда может превратиться в белый карлик, нейтронную звезду или в “чёрную дыру”. Теоретические условия для превращения звезды в белый карлик или в нейтронную звезду установлены “Пределом Чандрасекара” [2] и “Пределом Оппенгеймера - Волкова” [3]. Для белого карлика это масса исходной звезды в пределах 1,38…1,44 массы  Солнца, для нейтронной порядка 2…3.

Масса (а также условия), при которой конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, точно не определена, но предполагается, что она должна быть больше величин, приведённых выше.

Такой механизм появления “чёрных дыр” представляется довольно реальным и возможно во Вселенной имеется многочисленный и разнообразный по массе ряд указанных объектов, образованных именно таким путём. Однако остаётся вопрос возникновения как микроскопических “чёрных дыр”, так и сверхмассивных. И если первые из них пока не обнаружены, и в общем-то особого внимания к себе в настоящее время не привлекают из-за их предположительно незначительного (?) влияния на космические явления, то этого нельзя сказать о сверхмассивных вращающихся “чёрных дырах”, находящихся в центрах подавляющего большинства галактик.  

То, что такое местоположение не носит случайный характер и оно играет очень важную роль в жизни галактики, на мой взгляд, очевидно и об этом будет сказано ниже. Также представляется весьма сомнительным предположение, что сверхмассивные “чёрные дыры” смогли за довольно ограниченное время вырасти до таких размеров из относительно небольших “чёрных дыр”, образованных из сколлапсировавшихся звёзд. Особенно эти сомнения усилились при обнаружении молодых сверхмассивных “чёрных дыр”, возраст которых не превышает одного миллиарда лет.

Попытка ответить на этот вопрос за счёт предположения возможности прямого коллапса облака водорода в “чёрную дыру” (без промежуточных стадий, таких как длительный период образования звезды и ещё более длительный процесс выгорания в ней водорода) представляется явно неудовлетворительной. Совершенно очевидно, что при гравитационном сжатии в водороде, при достижении им металлического состояния (что конечно является очень высокой плотностью, но далеко не той, которая необходима для образования “чёрной дыры”), начнётся термоядерная реакция, тепловое излучение которой однозначно воспрепятствует дальнейшему сжатию облака водорода до требуемой плотности.

Такой коллапс может состояться при условии, если скопление (облако) состоит из других элементов (не водорода). В этом случае гравитационное сжатие не прервётся на полпути из-за начала термоядерной реакции. Однако данный вариант представляется маловероятным, так как он сможет реализоваться лишь тогда, когда остатки от взрывов звёзд смогут каким-нибудь случайным  образом собраться в достаточно большое скопление. Опять же, для этого варианта необходимо прохождение длительных этапов образования звезд и выгорания в них водорода, Поэтому им тоже нельзя объяснить возможность образования молодых сверхмассивных “чёрных дыр”. 

Наверное, здесь стоит упомянуть и ещё один возможный вариант прямого коллапса. Если допустить существование “тёмной материи”, то при изрядной доли фантазии можно представить образование “чёрных дыр” из этой сколлапсировавшейся мифической субстанции. Тем более, что мифической субстанции можно приписать любые свойства, чтобы обосновать возможность такого коллапса. Хотя, может быть, не стоит полностью отвергать перспективу такого варианта, который теоретически способен реализоваться в любое время, даже, например, до начала образования барионного вещества. Однако, на мой взгляд, вероятность этого мала, даже по сравнению с предыдущим вариантом.    

Из изложенного видно, что существуют значительные трудности в понимании механизма возникновения, как сверхмассивных “чёрных дыр” и особенностей их места расположения в галактиках, так и небольших (вплоть до размера атомов) объектов такого рода.

Однако, если допустить что пространство обладает некой физической сущностью, то появляется возможность ответа на эти вопросы. Сразу оговорюсь, что полностью согласен с тем, что такое предположение носит пока что только гипотетический характер. Однако ряд экспериментальных и наблюдательных фактов сложно истолковать иначе, как поддержку такой версии. Подтверждение теоретически предсказанного эффекта Лензе – Тирринга о “закрутки” пространство вокруг вращающихся тел [4]  и [5], а также доказательство существования гравитационных волн [6], которые могут распространяться только в ткани пространства – времени, показывают уязвимость и не бесспорность представления пространства только в виде математической абстракции.

Поэтому, основываясь на предположении физической сущности пространства, научную новизну сформулирую следующим образом - состояние предельной  деформации локальной области пространства Вселенной (то есть “чёрная дыра”) может быть достигнуто не только за счёт высокой концентрации в ней вещества с последующим его коллапсированием, но и иметь природное происхождение. Под природным происхождением здесь понимается то, что при образовании и расширении пространства в нём не исключена вероятность возникновения различных  топологических искажений (дефектов), часть из которых может достигать состояния предельной  деформации.

5. Результаты

Предложенная гипотеза позволяет объяснить возможность существования во Вселенной непрерывного спектра масс "чёрных дыр", начиная от микроскопических объектов и заканчивая сверхмассивными. Особый интерес представляет вероятный ход эволюции первичных (природных) "чёрных дыр" до сверхмассивных "чёрных дыр", находящихся в центрах галактик.

Ход рассуждений может быть следующим. В процессе возникновения и расширения пространства в нём мог образоваться топологический дефект с состоянием предельной  деформации, своего рода “гравитационная яма” или первичная "чёрная дыра". Этот дефект мог образоваться на любой стадии, в том числе и задолго до появления барионного вещества. В последнем случае, первичная "чёрная дыра", вероятно, могла начать наполняться составляющими первичной плазмы, излучениями, а при допущении существования "тёмной матери", также и её частицами.

К моменту начала образования барионного вещества, рассматриваемая первичная "чёрная дыра" возможно уже была способна представлять собой область высокого гравитационного притяжения, куда и устремлялось рождающееся барионное вещество. То есть развивались два взаимосвязанных процессов – дальнейшее наращивание массы первичной "чёрной дыры", в основном уже за счёт поглощения барионного вещества,  и концентрирование  вокруг неё, как центра притяжения, больших масс этого вещества, из которого впоследствии и сформировалась галактика.

Из этого примера ясно видна определяющая роль растущей первичной "чёрной дыры" на процесс формирования галактики, а также то, почему она занимает в ней центральное место и почему “строительного материала” и времени роста её массы до сверхмассивных значений оказывается вполне достаточным. Также, на мой взгляд, очевидно, что “чёрные дыры”, образованные из сколлапсировавшихся звёзд, не имеют возможности в разумные сроки вырасти до сверхмассивных, и неспособны в общем случае занять место в центре галактик. Т.е. сверхмассивная “чёрная дыра” могла развиться исключительно только из первичной, которая и фактически сформировала галактику, заняв в ней центральное место.  

Более того, только в условиях ранней Вселенной, когда бурно протекал процесс образования большого количества барионного вещества, создались все предпосылки для стремительного роста первичных “чёрных дыр” до гигантских размеров за счёт интенсивного поглощения этого “ничейного” вещества. Если к этому времени “чёрная дыра” уже обладала достаточным гравитационным притяжением, то не должно вызывать удивление то, что, например, масса довольно молодой (возрастом менее 4 миллиардов лет) “чёрной дыры” (квазар TON 618) превышает 66 миллиардов солнечных масс. Вероятно, это оказывало влияние и на размер формируемой ею галактики.

Представляется ожидаемым, что невероятные по массе “чёрные дыры” будут всё чаще обнаруживаться на расстояниях, соотносимых  именно с периодом ранней Вселенной, так как впоследствии таких благоприятных условий для их роста уже не было. Поэтому развитие  “чёрных дыр” на последующих этапах жизни Вселенной, ограничивается в основном значительно меньшими размерами, порядка Sgr A, как в Млечном пути. 
 

Естественно, не каждая первичная "чёрная дыра" сможет вырасти до сверхмассивной или хотя бы даже до сколько-нибудь заметной. Представляется, что подавляющее большинство из них остаются очень небольшими, так как в силу случайных причин и возможной неоднородности пространства [7] создаются приоритетные направления “стекания” вещества не ко всем, а только к некоторым первичным "чёрным дырам".

6. Выводы

Допущение физической сущности пространства и представление "чёрной дыры" в виде состояния предельной деформации локальной области пространства Вселенной позволяет объяснить возможность возникновения и эволюции указанных объектов во всём спектре их масс.

Если свойства предполагаемой физической сущности пространства не будут подвержены релаксации напряжений и тиксотропии (фактору времени), то гипотетическое испарение посредством излучения Хокинга [8] массы "чёрной дыры" даже до нуля не приведёт  её к полному уничтожению.

7. Заключение

Предложенная гипотеза позволяет ответить на ряд актуальных и проблемных вопросов возникновения и эволюции “чёрных дыр”. Однако она построена на допущении пока ещё гипотетической физической сущности пространства. Существуют данные, говорящие в пользу этого допущения, но их пока недостаточно для достоверной оценки предполагаемых физических свойств.

Однако надеюсь, что сейчас изучение вопросов гравитации и пространства ускорилось и стало приоритетным для ряда ведущих стран. Возможно, что значительное финансирование, вкладываемое в создание средств наблюдения за космическим пространством и в исследование его свойств (проекты типа LIGO и пр.), способно привести к прорывным открытиям в этой области уже в ближайшее время. 

Библиографический список:

1. Чёрная дыра. [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Чёрная_дыра (дата обращения: 25.04.2021);
2. Предел Чандрасекара. [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Предел_Чандрасекара (дата обращения: 23.04.2021);
3. Предел Оппенгеймара - Волкова. [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Предел_Оппенгеймера_—_Волкова (дата обращения: 23.04.2021);
4. C. W. F. Everitt et al. Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity, Physical Review Letters (1 мая 2011);
5. Ciufolini, I.; Paolozzi A., Pavlis E. C., Ries J. C., Koenig R., Matzner R. A., Sindoni G. and Neumayer H. Gravitomagnetism and Its Measurement with Laser Ranging to the LAGEOS Satellites and GRACE Earth Gravity Models // General Relativity and John Archibald Wheeler (англ.). — SpringerLink, 2010. — Vol. 367. — P. 371—434. — (Astrophysics and Space Science Library);
6. B. P. Abbott (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2016. — Vol. 116, no. 6;
7. Кошкин. Ю.А. Неоднородность реликтового излучения свидетельствует о неоднородности пространства? [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. - 2021. URL: https://sci-article.ru/stat.php?i=1617459520;
8. Излучение Хокинга. [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Излучение_Хокинга (дата обращения: 23.04.2021).




Комментарии пользователей:

3.05.2021, 10:49 Минасян Тигран Вартанович
Отзыв: Обнаружение на окраинах видимой Вселенной молодых и гигантских "чёрных дыр" вызывает вопрос - как они успели вырасти до таких размеров за относительно короткое время? В статье, на мой взгляд, даётся достаточно убедительный ответ на этот вопрос и прогнозируется увеличение случаев таких обнаружений. Если такой прогноз будет подтверждаться, то это будет говорить в пользу предложенной автором гипотезы происхождения и эволюции первичных "чёрных дыр". Считаю, что статья с этой интересной гипотезой заслуживает публикации.


7.05.2021, 9:32 Рогов Константин Андреевич
Отзыв: Хотя автор скептически относится к своему же предположению о возможности образования "чёрной дыры" путём коллапсирования скопления "тёмной материи", мне оно представляется интересным. Ведь нельзя исключить, что эту субстанцию всё-таки обнаружат и у ней будут подходящие для коллапса свойства. Поэтому автор правильно делает, что не отвергает полностью вероятность осуществления такого варианта.


7.05.2021, 18:41 Слуцкий Яков Августович
Отзыв: Хорошая гипотеза должна не только объяснять подоплёку имеющихся фактов, но и предвидеть открытие новых фактов, каких-то неизвестных зависимостей и пр. Особенно ценно, если имеющиеся или вновь обнаруженные факты будут противоречить (или не находить объяснения) сложившимся представлениями, но полностью укладываться в рамки гипотезы. Поэтому изложенная в статье гипотеза представляется очень интересной. На мой взгляд, она убедительно показывает возможную эволюцию первичных "чёрных дыр" до сверхмассивных и объясняет наличие гигантских масс и других особенностей у таких объектов, а также прогнозирует увеличенное число молодых свергигантских "чёрных дыр" на границах Вселенной. Последнее является парадоксальным по сложившимся представлениям. Статью целесообразно опубликовать для широкого обсуждения.


8.05.2021, 15:26 Приступа Анатолий Николаевич
Отзыв: Идея о том, что пространство представляет собой физическую сущность конечно необычна, но имеет ряд обоснований. Если это будет подтверждаться, то наличие в нём каких-то неоднородностей будет весьма вероятным. Однако на вопрос. смогут ли эти неоднородности достигать или иметь состояние предельной деформации, однозначно ответить сложно. Этот вопрос является очень дисуссионным. Однако положительный ответ на него позволит дать объяснение того, почему в природе существуют даже микроскопические "чёрные дыры", теорию происхождения которых современная наука в настоящее время затрудняется раскрыть. В статье рассматривается актуальная тема, написана она интересно и, на мой взгляд, достойна публикации.


11.05.2021, 9:48 Квашнин Дмитрий Владимирович
Отзыв: Уважаемый автор! Изложенная в статье гипотеза представляется достоверной, однако несколько удивило мнение о невозможности образования сверхмассивных "чёрных дыр" из сколлапсировавших звёзд. В целом же статья очень интересная и, на мой взгляд, заслуживает публикации.


11.05.2021, 12:27 Кошкин Юрий Александрович
Отзыв: Комментарий к отзыву Д. В. Квашнина. Уважаемый Дмитрий Владимирович! Спасибо за отзыв и поясняю, почему выбрал именно такое выражение, что "сверхмассивная “чёрная дыра” могла развиться исключительно только из первичной". Очевидно, что гигантское количество галактик в наблюдаемой Вселенной (по последнем данным около двух триллионов) подразумевает и многообразие их форм, масс, свойств и пр. Вероятно, не у всех из них в центре располагается сверхмассивная "чёрная дыра". Вполне может быть (хотя и маловероятно), что в локальной области пространства, имеющей топологический дефект, который вызывает повышенное гравитационное притяжение, отсутствуют какие-либо участки с состоянием предельной деформации, т.е. первичные "чёрные дыры". Это в общем-то не помешает веществу "стекать" в эту область и сформировать галактику, но в её центре не будет никакой "чёрной дыры". И даже, если в дальнейшем, одна из центральных звёзд такой галактики превратится в результате коллапса в "чёрную дыру", у ней не будет возможности вырасти до сверхмассивной. Вокруг неё не будет необходимого "строительного" материала, так как всё вещество уже было распределено по звёздам, а у молодой и небольшой "чёрной дыры" будет недостаточно гравитационных сил для их притяжения и поглощения. Если представить для наглядности звёзды в виде теннисных шариков, то расстояние между этими шариками будет несколько сот километров. Поэтому, случайные кометы, астероиды и остатки межзвёздного газа - вот и весь скудный "рацион" питания новообразованной "чёрной дыры". Конечно, теоретически можно допустить, что при множественных случаях слияния подобных галактик (не имеющих сверхмассивных "чёрных дыр" в центре), в конце концов у "победителя" появится сверхмассивная "чёрная дыра", но вероятность этого, на мой взгляд, мало отличается от нулевой. Поэтому в тексте статье и остановился на фразе, что "сверхмассивная “чёрная дыра” могла развиться исключительно только из первичной".


Оставить комментарий


 
 

Вверх