О фотонных взаимодействиях в магнитном поле черной дыры
Новоселов Ю.И.
Понятие черной дыры обычно связывают с гравитацией настолько значительной, что, как считается, она препятствует выходу даже фотонного излучения, в связи с чем черные дыры совершенно не излучают света. Такая гипотеза вполне закономерно вызывает сомнения.
Основой для сомнений является тот факт, что у некоторых галактик, называемых активными и, предположительно, содержащих в центре черную дыру, наблюдаются выбросы излучения, которые имеют форму узконаправленных потоков (джетов), рис.1.
Рис. 1. Фотоизображение галактики с джетами
Если принять, что выходу из черной дыры фотонного излучения препятствует гравитация, то почему она не препятствует выбросу вещества? Имеются объяснения этому противоречию, заключающееся в том, что плазменные выбросы формируются не в ядре черной дыры, а с внешней стороны горизонта событий. Но такое объяснение также порождает больше вопросов, чем дает ответов и, скорее, похоже на попытку уйти от трудного противоречия. К тому же данное объяснение не дает понимания природы сил, формирующих указанные выбросы и разгоняющих вещество в них до релятивистских скоростей.
Приводятся также объяснения феномена черных дыр, заключающиеся в искривлении пространства-времени в их окрестности в силу чрезвычайной гравитации. Однако, такая модель также не объясняет наличия джетов у активных галактик, которые свидетельствуют о значительной анизотропии полей в окрестностях их ядер, в то время как гравитационные поля точечных объектов должны быть изотропны.
Итак, на чем же основана гравитационная модель «невидимости» черных дыр?
Данная гипотеза базируется на расчетах, проведенных Карлом Шварцшильдом на основе закона всемирного тяготения [1]. Из соотношения:
;(1)
где: М — масса тяготеющего тела, кг;
r – радиус тяготеющего теля, м;
m — масса объекта, кг;
G – гравитационная постоянная, м3/кг·с2;
v - скорость объекта относительно тяготеющего тела, м/с
было получено значение т. н. гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда), т. е. радиуса окрестности тяготеющего тела, для которого значение второй космической скорости равно скорости света:
; (2)
Т.е. для того, чтобы покинуть его окрестность, необходимо развить скорость, равную скорости света. А для тел большей массы, вторая космическая скорость должна быть больше скорости света, что невозможно, согласно современным представлениям. И, следовательно, никакие объекты, даже 
обладающие скоростью света, не могут покинуть окрестности таких тел.
Однако, справедливы ли эти выводы для фотонного излучения?
Простой анализ показывает, что из отправного выражения (1) исчезла компонента, обозначающая массу меньшего тела – m. При переходе от выражения (1) к выражению (2) было получено промежуточное выражение
; (3)
в котором присутствовало отношение m/m и которое было сокращено. Однако, данная операция корректна не во всех случаях. При рассмотрении взаимодействия фотонов с космическим телом массы M, компонента m – обозначает массу фотона, которая по современным представлениям равна 0 и выражение m/m представляет собой известную в математике неопределенность вида 0/0, которая не может быть разрешена простым сокращением. Именно в этом заключается тонкость, не позволяющая, по мнению автора данной статьи, применять приведенные выше математические выкладки для рассмотрения взаимодействия фотонов с массивными космическими объектами.
Иными словами, фотоны не имеют массы, поэтому все рассуждения, базирующиеся на основе понятий теории гравитации, не могут к ним применяться.
Но тогда остается открытым вопрос: почему черные дыры не излучают? Целесообразно попытаться найти другие, менее противоречивые объяснения данному явлению.
В качестве отправной точки рассуждений, можно использовать исследование уже упомянутого характерного признака, который указывает на наличие черных дыр в центрах галактик, а именно — выбросов плазмы в виде джетов.
Форма джетов, их перпендикулярное расположение относительно плоскости галактики наводят на мысль, что такая конфигурация складывается под воздействием магнитного поля, создаваемого ядром черной дыры (в данной статье ядром черной дыры называется материальный объект, находящийся в центре черной дыры).
Что может представлять собой ядро черной дыры?
Не отвлекаясь на вопрос о материальной сущности ядра черной дыры, представляет ли она собой кварк-глюонную плазму или нечто другое, исследуем ее геометрию.
Поскольку формирование облика галактик определяется вращательным движением вещества вокруг ее центра, то ядро черной дыры, образующееся из захваченной из его окрестности материи должно иметь значительную энергию вращательного движения и представлять собой фигуру вращения.
Известна модель кольцеобразной сингулярности Керра, представляющая собой материальное вращающееся образование в виде тора [2].
Структура магнитного поля тора представлена на рис. 2.
Рис. 2 Магнитное поле тора. Рисунок заимствован с ресурса Яндекс картинки.
Структура магнитного поля тора такова, что тор находится внутри сплошных замкнутых поверхностей, образованных силовыми линиями магнитного поля. Таким образом, ядро черной дыры в виде тора находится в своеобразной магнитной ловушке.
Можно предположить, что фотонное излучение ядра черной дыры вступает во взаимодействие с ее магнитным полем, и процессы, которые при этом протекают, препятствуют его выходу за границу окрестности, называемую горизонтом событий. Какие же виды взаимодействия между фотонным излучением и магнитным полем черной дыры могут иметь место?
Известно явление рождения электрон-позитронных пар в электрическом поле атомного ядра под воздействием фотонного излучения. Считается возможным рождение пар «частица — античастица» в импульсах лазерного излучения, обладающих мощностью, достаточной для достижения требуемых энергии электромагнитных полей, при которых происходит так называемая поляризация вакуума и образование пар частиц [3]. Нет оснований полагать, что подобные процессы невозможны в сильном магнитном поле черной дыры.
Известен тип звездных объектов, называемых магнетарами, обладающих значительными магнитными полями (до 1011 Тл), образующимися вращательным движением их материи. Похожими свойствами может обладать и ядро черной дыры.
Можно считать весьма вероятным, что ядро черной дыры порождает фотонное излучение, которое вступает во взаимодействие с ее магнитным полем, в результате чего энергия фотонов преобразуется в пары «частица-античастица». При этом энергия фотона может служить своеобразной энергетической добавкой для образования пары в тех областях, где величина магнитного поля сама по себе уже недостаточна для протекания данного процесса. Таким образом, можно предположить, что исчезновение фотонного излучения в окрестности черной дыры обусловлено его взаимодействием с магнитным полем, которое приводит к образованию пар «частица-античастица». Рожденные пары частиц захватываются магнитным полем, а фотонное излучение, включая низкоэнергетичное, исчезает в указанных процессах взаимодействия и поэтому черные дыры не излучают.
Однако, вполне закономерно возникает вопрос о том, почему у некоторых галактик наблюдаются джеты, а у других нет? Какие условия необходимы для образования джетов у галактик?
Для ответа на данные вопросы необходимо задаться другим вопросом: в какой геометрической форме может находиться ядро черной дыры? Вращающееся тело (рассматривается тело в жидком состоянии, связанное силами гравитационного взаимодействия) может представлять собой эллипсоид либо тор.
Вращательное движение вещества, находящегося в состоянии плазмы, порождает магнитное поле. На рисунке 3. приведены варианты конфигурации магнитного поля для случаев тороидального и эллипсоидного ядра черной дыры.
Рис. 3. Модели магнитного поля ядра черной дыры в виде:
а – тора, б – эллипсоида
Красными стрелками условно обозначено распространение излучения
Анализ моделей конфигурации ядра черной дыры и образованного им магнитного поля указывает на то, что в случае тороидальной формы ядра магнитное поле образует вокруг него области, ограниченные замкнутыми линиями магнитной индукции. В случае эллипсоидной формы ядра существует неограниченная линиями магнитной индукции узкая область, расположенная вдоль оси вращения эллипсоида.
На основании анализа этих моделей можно предположить, что при наличии в галактике черной дыры с ядром в виде тора, джеты не наблюдаются, поскольку магнитной поле тора образует замкнутые поверхности вокруг ядра и препятствует выходу излучения, а в случае эллипсоидной формы ядра существует область, располагаемая вдоль центральной силовой линии магнитного поля, где возможен выход фотонного излучения ядра без взаимодействия с магнитным полем оси и джеты могут наблюдаться. Это подтверждается наблюдаемой поляризацией излучения джета активной галактики 3С 273, которая может быть объяснена распространением излучения вдоль силовой линии магнитного поля [4]. На некоторых фотографиях джетов наблюдаются спиралевидные структуры, которые могут быть объяснены прецессией оси вращения ядра черной дыры.
Естественным образом может происходить изменение конфигурации ядра вследствие какого-либо процесса, например при поглощении материи ядром черной дыры из ее окрестности или слиянии ядер галактик при их столкновении [5]. При этом возможна трансформация ядра из тора в эллипсоид с соответствующим изменением конфигурации магнитного поля и появлением канала выхода излучения ядра черной дыры вдоль осевой силовой линии. Такое изменение конфигурации ядра и магнитного поля влечет появление джетов. Форма ядра в виде эллипсоида вероятнее всего является неустойчивой и существует только при протекании процессов взаимодействия ядра черной дыры с падающим на нее веществом.
Имеются фотографии активных галактик с выбросами излучения в форме песочных часов (в плоскости напоминает форму бабочки), а также иногда в экваториальной плоскости. Такое явление также объяснимо, если представить ядро черной дыры в виде соосной комбинации двух торов с противоположными потоками, рис. 4.
Рис.4 Схематичное изображение ядра черной дыры в виде двух соосных торов и конфигурация их магнитного поля.
В стационарном состоянии излучение тороидальных ядер находится в областях, замкнутых магнитным полем.
Силы электромагнитного взаимодействия двух противоположно направленных потоков вещества торов компенсируют их гравитационное притяжение. Однако, в случае сближения торов или поглощения вещества из окрестности происходит возмущение и пересечение потоков торов. При этом в экваториальной плоскости «конструкции» появляется область, где магнитное поле отсутствует, поскольку на границе двух смешивающихся противоположно направленных потоков обязательно должна существовать область, в которой результирующий поток равен нулю и магнитное поле в этой локальной области отсутствует. Поэтому в экваториальной плоскости появляется канал выхода излучения из ядра, как показано на рис. 5. На граничных поверхностях плоского потока излучения происходят взаимодействия излучения с магнитным полем и образованные в этом взаимодействии пары частиц захватываются магнитным полем и двигаются вдоль его силовых линий, образуя чашеобразные конфигурации. Пример такой конфигурации приведен на фотографии галактики М106, рис.6.
Рис.5. Схематичное изображение магнитного поля двух соосных соприкасающихся торов. Красными стрелками показан канал выхода излучения из области соприкосновения торов.
Рис.6. Фото активной галактики М106 с чашеобразными симметричными выбросами излучения. Фото заимствовано с ресурса Яндекс картинки.
Таким образом, основой предлагаемой модели является гипотеза, основывающаяся на следующих положениях:
1. Ядро черной дыры может излучать энергию в виде фотонного излучения.
2. Ядро черной дыры создает мощное магнитное поле, достаточное для образования пар «частица-античастица».
3. Фотонное излучение ядра черной дыры вступает во взаимодействие с его магнитным полем.
4. Если фотонное излучение распространяется вдоль силовой линии магнитного поля, т. е. когда вектора Е и Н электромагнитной волны ортогональны вектору магнитного поля, то взаимодействия не происходит и фотонное излучение выходит из окрестности черной дыры.
5. Если фотонное излучение ядра черной дыры распространяется под углом к силовым линиям поля, так, что вектора Е и Н электромагнитной волны не оказываются ортогональны, то возникают условия для суперпозиции векторов напряженности магнитного поля и вектора Н волны (фотона) и происходит взаимодействие фотонного излучения с магнитным полем, в результате которого энергия фотона становится своеобразной энергетической добавкой (квантовой флуктуацией) к энергии магнитного поля и может создать необходимые и достаточные условия для образования пары «частица-античастица». Участвуя в таких взаимодействиях, фотон исчезает и поэтому черная дыра кажется черной.
Остается добавить, что согласно предлагаемой гипотезе, в окрестности ядра черной дыры происходят процессы образования пар «частица-античастица» по разным механизмам и по этому признаку окрестность можно разделить на области, где пары образуются спонтанно в силу значительной и достаточной величины магнитного поля (ближняя область) и где для их образования необходима энергетическая добавка, например, в виде энергии фотонного излучения. На определенном удалении от ядра, где величина магнитного поля уже недостаточна для образования пар даже с учетом энергии фотонного излучения, не происходит и его поглощения. Такую границу можно условно считать горизонтом событий.
Литература.
1. Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике. - М., Наука, 1980. - с. 112.
2. Интернет-ресурс: wikipedia.org/wiki/Кольцеобразная_сингулярность.
3. Интернет-ресурс: wikipedia.org/wiki/Рождение_пар.
4. Uchiyama Y., Urry C. M., Cheung C. C., Jester S., Van Duyne J., Coppi P., Sambruna R. M., Takahashi T., Tavecchio F., Maraschi L. Shedding New Light on the 3C 273 Jet with the Spitzer Space Telescope (англ.) // The Astrophysical Journal: журнал. — Springer, 2006. — Vol. 648, no. 2. — P. 910–921. — DOI:10.1086/505964. — Bibcode: 2006ApJ...648..910U. — arXiv:astro-ph/0605530.
5. Интернет-ресурс: https://ria.ru/20150529/1067088285.html.