Диаметр черной дыры


Интересный и совершенно неинтуитивный факт о черных дырах. Несмотря на то, что при взгляде снаружи черная дыра имеет вполне себе конечный объем, если мы думаем о черной дыре как о некой черной сфере, ограниченной Горизонтом Событий, у которого есть определенный радиус, а, значит, и конечный объем, находящийся под этим Горизонтом Событий, то при взгляде изнутри — черная дыра бесконечна, то есть объем пространства, находящегося под Горизонтом Событий бесконечен, или как минимум очень велик, гораздо больше, чем объем нашей Вселенной.

Сегодня мы не знаем наверняка, что происходит под поверхностью (в смысле, за Горизонтом Событий) черной дыры. Мы можем лишь догадываться и более–менее обоснованно предполагать. Так как непосредственное наблюдение внутренностей черной дыры нам сегодня недоступно (а может так статься, что не будет доступно никогда), самое верное, что остается, это взять лучшую существующую на сегодняшний день теорию, и попытаться предсказать, что внутри черной дыры в принципе может происходить.


Лучшая теория, в которой мы более–менее уверены (потому что она подтверждена непосредственными наблюдениями) на космических масштабах — это Теория Относительности Эйнштейна. Как говорится, это не самое лучшее, что лучшее, но покуда это лучшее из того, что у нас есть.

Сами черные дыры, как экстремальные артефакты пространства–времени, как раз и были вначале теоретически предсказаны в Теории Относительности, и лишь многие десятилетия спустя мы начали наблюдать их в реальности.

Потому, для исследования (а на самом деле — аргументированного теоретизирования) внутренностей черных дыр сам Эйнштейн велел пользоваться математикой Теории Относительности, покуда это лучшее, что мы можем натеоретизировать, полагая, что раз остальные выводы у этой теории подтверждаются наблюдениями, то и на пока неподтвержденные тоже можно кое–как положиться.

Согласно Теории Относительности космос представляет из себя гладкое пространство–время, в некоторых местах искривленное туда–сюда наличием в космосе вещества. Черные дыры делают с пространством–временем особо извращенную пертурбацию, они не просто гнут, а прямо–таки рвут пространство–время в клочья, от чего для описания пространства–времени вблизи черной дыры удобнее пользоваться не привычными нам декартовыми координатами, которые все изучали в пятом классе, а т.н. координатами (или диаграммой) Крускала.

Диаграмма Крускала не такой уж и сложный, но все–таки приличный матан, это хорошо видно в английской версии википедии, от чего сразу предлагаю перейти к ее упрощенному варианту, т.н. диаграмме Пенроуза, что по сути одно и тоже (даже визуально сходство заметно), только лишних линий меньше и формул нет совсем.


Для того, чтобы не взрывать с разбегу неподготовленный мозг, широкой публике обычно демонстрируется только правая половина этой диаграммы, потому как народ начинает возбуждаться и неадекватно реагировать на слова «Параллельная Вселенная», «Антигоризонт», «Белая Дыра» и так далее.

Упрощенная диаграмма Пенроуза говорит о том, что пространство–время во Вселенной можно и нужно разделить на две части, одна, где находимся мы, наша Вселенная, и другая, которая находится внутри Черной Дыры. Там уже не совсем наша Вселенная, точнее говоря, там тоже часть нашей Вселенной, но в которой пространство–время ведет себя не так, как мы привыкли. Эти две части разделены границей Горизонта Событий, и на рисунке видно, что граница эта односторонняя, внутрь пройти можно (там стрелочка нарисована), а назад уже нет.

Почему так происходит? Потому, что, строго говоря, граница Горизонта Событий не делит одно пространство–время на две части — внутри и снаружи. Она является местом соединения (ученые говорят «местом склейки») двух совершенно разных метрик, двух разных пространств–времен.

Принципиально разных.


Если мы возьмем формулы Теории Относительности, и начнем их решать в пространстве–времени, которое находится в нашей Вселенной (снаружи Горизонта Событий, то есть в квадранте I, там где ромбик с надписью «Вселенная»), то получим знакомые нам три координаты пространства и одну координату времени. Которые как–то там изменяются в процессе, искривляются и закручиваются в зависимости от присутствия массы, но все более–менее в привычных рамочках.

А если мы начнем решать те же самые формулы, но находиться при этом будем внутри черной дыры (внутри Горизонта Событий, в квадранте II, в треугольничке, у которого одна сторона — пила не закусывая), то все решения будут явно говорить нам — чуваки, у вас пространство и время поменялись местами!

Выходит, что там, где мы ожидаем встретить наши знакомые пространственные координаты x, y и z вдруг начинает вылезать временная координата t и наоборот, в части формулы, где мы ждем изменения по оси времени, вдруг появляются x, y и z, точнее, их производные, хотя по большому счету, в нашем случае это одно и то же. То есть можно набраться храбрости и заявить во всеуслышание: «В черной дыре пространство стало временем, а время — пространством!»

NB! Внимание, автор категорически не рекомендует заявлять такого вслух! Это не совсем верно, точнее совсем не верно. Время в черной дыре не становится пространством на самом деле, просто формулы начинают указывать на то, что будто бы происходит что–то подобное.


Получается, что пространство приобретает свойства, которые мы раньше логически связывали со временем, а время в какой–то мере, наделяется свойствами пространства.

Например, всем известно, что три координаты пространства у нас вроде «свободные», мы можем двигаться по ним в любую сторону, а вот координата времени четко указывает вперед, и хочешь не хочешь, а двигаться по ней можно только туда, куда указывает стрелка, то есть из прошлого в будущее.

Внутри черной дыры пространство–время устроено так, что нельзя двигаться куда хочешь. Можно двигаться только в центр, туда, где расположено сердце черной дыры, сингулярность. Которая в данном представлении рисуется не привычной нам точкой, а линией, да еще и специально изображается кровожадно–зубчатой линией, чтобы показать неосторожному путешественнику, собравшемуся вместо Турции на отдых в черную дыру — «там конец, там съедят». Сингулярность черной дыры неизбежна (в данном случае, это, кстати, совсем не каламбур), как для нас неизбежно будущее, потому что она находится вроде как в пространственном будущем. Получается, что единственная судьба любого предмета, упавшего в черную дыру — оказаться в сингулярности. Куда бы ты ни двигался, в какую сторону ни пытался бы лететь, разницы никакой, внутри черной дыры физически нет путей, ведущих куда–либо «в другую сторону», все равно пространство тебя вынесет аккурат к сингулярности и разорвет там перед смертью на атомы.


Вот почему из черной дыры невозможно выбраться. Не потому, что она «так сильно притягивает», хотя и это, конечно, тоже. А потому, что как в нашей привычной жизни, что бы ты ни делал, куда бы ни двигался, все равно в прошлое не попадешь, а будущего не избежать, так и в черной дыре — все дороги ведут только к сингулярности, назад в прошлое, в обычную Вселенную, пути уже нет.

В то же время, получается обратная штука, которую я вынес в начало, собственно. Теоретически у времени нет предела, будущее простирается в бесконечность. А, значит, внутри черной дыры у пространства нет предела, объем черной дыры изнутри — бесконечно огромен. Ну, то есть да, время жизни конкретно нашей Вселенной, скорее всего не бесконечно, ее ждет Тепловая Смерть (или даже Большой Разрыв), но если абстрагироваться, в будущее можно двигаться бесконечно долго, даже при Тепловой Смерти Вселенной время не остановится, просто в космосе перестанут происходить видимые процессы, отчего один момент времени станет неотличим от другого, но это уже начинается софистика, в любом случае ждать этого еще очень–очень–очень–очень долго.

Черная дыра тоже не вечна, из–за излучения Хокинга она должна, вроде бы, потихоньку испаряться. Но это очень–очень небыстрый процесс, черная дыра массой в Солнце будет испаряться ~1066 лет (не забываем, что возраст Вселенной всего только ~1010 лет!), отчего можно с некой долей фантазии и упрощения, заявить, что размеры черной дыры звездной величины изнутри составляют как минимум 1066 световых лет, что внутри она если не бесконечно большая, то как минимум в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше Обозримой Вселенной.


Ну, и еще раз. Естественно, все это пока лишь досужие рассуждения и теоретизирование. Что действительно происходит внутри черной дыры мы не знаем. Скажу больше, мы наверняка знаем, что там скорее всего не совсем то, что мы можем сегодня натеоретизировать. Нам известно, что Теория Относительности не полна, чтобы точно и четко работать в черных дырах, ее обязательно нужно поженить с квантовой механикой, а этого, вот уже почти целый век, не удается сделать никому. И реальность, вероятно, окажется еще более сложной и замороченной штукой, чем мы тут себе думаем и рассуждаем.

Источник: sly2m.livejournal.com

Какие размеры черных дыр известны науке?

Так как наиболее плотные скопления звезд можно наблюдать по центрам галактик, то в каждой галактике можно доказать присутствие массивной черной дыры. Описываются характеристики черных дыр по трем критериям: массе, моменту импульса, электрическому заряду.

При этом способов определения размеров черных дыр было выявлено два. Это методы, продемонстрированные американскими астрономами в 2001 году, применяют для измерения массы близко расположенных черных дыр и более отдаленных квазаров. Кроме того, при помощи новых методов можно получать максимум информации о формировании галактик и развитии черных дыр.


Сверхмассивная черная дыра своей массой превышает размеры Солнца в пределах от миллиона до миллиарда раз. Черные дыры подобных глобальных размеров располагаются по центрам галактик, а так как их невозможно увидеть, обнаруживают и изучают их, наблюдая за перемещающимися вокруг них звездами.

Особенности черных дыр в зависимости от их массы и размера

Астрономами было доказано, что черные дыры не рождаются в своих громадных размерах, а медленно растут за счет звезд галактик и газа. Если верить теории, то многие черные дыры могут меняться в размерах в достаточно широком диапазоне. Некоторые из них могут быть меньше элементарных частиц, а некоторые – просто огромных размеров. При этом научно доказано, что дыры поменьше – вследствие квантовых эффектов должны разрушаться, а самые миниатюрные из них взрываются, едва образовавшись.

Размеры черных дыр

В ходе последних исследований британских и австралийских ученых было выявлено, что многие черные дыры имеют тенденции к быстрому увеличению, постепенно превосходя массу Солнца в миллиарды раз. Увеличиваются эти космические области, благодаря всасыванию ими газов, после чего происходит образование вокруг спирали и отверстия диска.


Черная дыра поглащает зведку огромного размера

Проведение практических опытов доказало, что если два таких диска впоследствии разойдутся в разные стороны, а потом столкнутся – подобная ситуация будет способствовать росту черной дыры в тысячи раз быстрее обычного.

Источник: www.sciencedebate2008.com

В центре практически всех крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Та, вокруг которой вращается Млечный путь, массивнее Солнца приблизительно в четыре миллиона раз. Это очень много. Однако некоторые её "коллеги" могут быть тысячекратно крупнее. Есть ли предел их размерам? Давайте попробуем понять, что по этому поводу известно науке.

Расширение черной дыры. NASA JPL – Caltec

Черные дыры набирают массу, поедая вещество. Но распространённая аналогия с пылесосом, с помощью которой описывается процесс её питания, не совсем точна. Этот объект больше похож на что-то вроде прожорливой пасти, находящейся на дне горной долины с крутыми склонами — именно поэтому принято говорить, что вещество падает в них. При этом чёрные дыры питаются крайне неряшливо. Большая часть их еды, в том числе разорванные на куски звёзды и планеты, попадают не прямо в "рот", а довольно долго кружатся вокруг него. На этой орбите материал сталкивается, обменивается энергией, а большая его часть выбрасывается за ту границу, где до него может дотянуться гравитация "едока". Именно поэтому черные дыры растут медленно.

Впрочем, предел их размерам всё равно есть. Все мы наслышаны о горизонте событий — той точке, из-за которой не может вернуться ничто, даже свет. Но ещё об одном пороге, связанном с чёрными дырами, мало кто знает. Это так называемая "Самая внутренняя устойчивая круговая орбита" (ISCO), пролегающая по границе аккреционного диска. Здесь сохранять стабильную орбиту может только свет, обладающий достаточной скоростью. Все остальное уходит вниз, как вода в раковине. В этой точке материя формально ещё не считается прошедшей точку невозврата, так как если получит достаточной силы толчок от другого объекта, то может избежать падения. Но если на неё ничто не будет воздействовать, она обречена пересечь горизонт событий.


По мере того как черная дыра, поедая вещество, становится всё более массивной, её гравитационное притяжение усиливается. Материя, которая находилась на "безопасном" расстоянии, становится нестабильной. Она закручивается по спирали, падает вниз, а ISCO параллельно с этим расширяется. Чем дальше эта орбита, чем больше еды у чёрной дыры. Но эта экспансия не может продолжаться вечно. На определенном расстоянии от горизонта событий материя начинает притягиваться к самой себе сильнее, чем к черной дыре. Именно благодаря этой силе газопылевые облака сгущаются в звёзды, а Млечный путь не выглядит как гигантский аккреционный диск, устремляющийся спирально в свою сверхмассивную черную дыру.

Иначе говоря, после того как чёрная дыра достигает определенной массы, её внутренняя устойчивая круговая орбита стабилизируется. За этим пределом вся материя стремится сбиться в космические объекты того или иного вида и размера, а не сгинуть бесследно за горизонтом событий. Массу чёрной дыры, при которой происходит эта стабилизация, можно высчитать. Это впервые было сделано в 2015 году, когда учёные подсчитали, что теоретический предел массы черной дыры колеблется в диапазоне от 50 до 270 миллиардов солнечных. Разброс кажется огромным, однако это тоже объяснимо — некоторые черные дыры обладают свойством вращаться. Это приближает к ним ISCO, из-за чего они способны набрать большую массу, прежде чем данный предел отодвинется на дистанцию "голодания". Как бы то ни было, сразу после этого, какова бы ни была масса черной дыры, она прирастает только за счёт случайной добычи — если что-то падает в нее. Однако это крайне маловероятное прямое попадание, чего почти не случается.

Но это ещё не конец истории. Чёрные дыры большего размера существуют — по той причине, что они иногда сталкиваются и сливаются в одну — совершенно чудовищной массы. Однако какими бы огромными они ни были, способность поглощать новую материю заново не обретается. Им остаётся надеяться только на столкновения — всё остальное вне пределов их досягаемости.

Статья уникальна на 100%!

Источник: zen.yandex.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.