Как называется граница черной дыры


Как устроена черная дыра

Черная дыра до сих пор остается не до конца изученной физиками и астрономами. Давайте попробуем разобраться, что она из себя представляет.

.
86; ни свет, ни вещество не могут покинуть её. Она имеет свойство вращаться, как и все объекты в космосе. В результате этого вращения появляется эргосфера. Она располагается между горизонтом событий и пределом статичности. 


Далее формируется аккреционный диск, который и стремятся увидеть астрономы, потому что саму дыру увидеть не получится. 

Черная дыра состоит из: 

  • сингулярности;
  • горизонта событий;
  • массы.

Сингулярность представляет собой центр черной дыры — гравитационную яму. Точка, которая имеет большую массу в малом пространстве. Она способна искривлять время и пространство вокруг себя бесконечное количество раз, в результате этого гравитационное притяжение становится очень мощным.
1042; этот момент, законы физики,  известные человечеству, перестают работать.  

Горизонт событий

Внешняя часть черной дыры называется горизонтом событий. Он представляет собой некую границm.
#1090;ационного поля. Если границу нарушить, выйти из нее будет невозможно. Из-за квантовых эффектов, из дыры исходят потоки горячих частиц, которые излучаются в космос. Данный процесс назвали излучение Хокинга.
1063;ерная дыра имеет свойство испаряться — она теряет свою массу и постепенно исчезает. 

fd576d5d807b10194e5ca2fe55afb4ed 1 1024x576 - Что такое черная дыра

Что будет с человеком внутри черной дыры 


Многие считают, если человек попадет в черную дыру, он тут же умрет. Но это не совсем так, всё может быть намного увлекательнее.

Черная дыра для людей это нечто неизвестное и таинственное, но очень любопытное. Даже в 21 веке еще до конца не разобрались, какие будут последствия попадания человека в черную дыру.
1044;остоверных данных нет, поскольку нам не известно о перемещении физических тел в это пространство, но есть догадки. Что человека может там ожидать? Смерть? Другая вселенная? 

151117 06f4c1f9 1024x576 - Что такое черная дыра


Давайте попробуем представить, что же может произойти. Проведем некий эксперимент, в котором нам потребуется помощник, назовем его Костей. 

Вот вы находитесь в космосе и постепенно приближаетесь к черной дыре.
1050;остя, находясь на безопасном расстоянии, с ужасом наблюдает данную картину, ведь в его понимании ситуация может развиться самым неприятным образом. 

В этот момент вы приближаетесь к горизонту событий. Вам кстати, там как, нормально? Вот Косте так не кажется. 

Он будет видеть, как вы сужаетесь и вытягиваетесь в длину. Будто эффект от огромной лупы. Плюс ко всему, чем меньше будет расстояние от вас до горизонта событий, тем больше Костя будет думать, что ваша скорость уменьшается. 

При всём желании, Костя вас не услышит, так как в космосе звуковые волны не передается. Но это еще не всё. Шанс на связь есть? 

Вы конечно можете подать сигнал с помощью фонарика на телефоне, используя азбуку Морзе, однако с каждым разом сигналы будут доходить до него всё дольше и дольше. А частота света фонарика будет смещаться к красному участку спектра. 

Когда вы попадете в горизонт событий, то нашему помощнику будет казаться, что ваше тело замерло на месте. Будто всё происходящее поставили на паузу. Вы будете  казаться ему неподвижным, и вас постепенно будет охватывать растущий жар. С точки зрения Кости, вы будете медленно умирать от растяжения пространства, остановки времени и от потока горячих частиц. Не успеете вы пересечь горизонт событий, как от вас останется, в лучшем случае, только пепел. 

Но подождите расстраиваться, уже поздно менять завещание. Вся описанная ситуация была с точки зрения Кости. Давайте посмотрим на неё вашими глазами.  

c8f5c1c9897985ca 1024x576 - Что такое черная дыра

Оказывается, всё не так плохо, как показалось на первый взгляд. Вот, вы направляетесь в центр черной дыры, но не испытываете тряску, пространство около вас не растягивается, время не замедляется. Потому что вы в свободном падении, и в этом состоянии не чувствуется свой вес. Горизонт событий — это явление, которое видит наблюдатель.Так как он не является участником процесса, а видит всё со стороны, то он не может посмотреть сквозь горизонт событий. Для него это проблема. Для вас нет — у вас горизонта нет в принципе и нет даже намека на его существование. 

Черная дыра очень большая, поэтому гравитация действует равномерно и ваше тело не подверглось каким-либо изменениям. Внутри нее вы проживете какое-то время, но потом умрете в сингулярности. 

Но подождите, а как же Костя? Ведь он видел вашу смерть.

Вы спокойно летите в черную дыру, а он убежден, что вы умерли от излучения Хокинга. 

Смерть ему не показалась, в его реальности вы и правда умерли и он может послать ваш пепел кому-то из родных. Как это объяснить? 

 

 

Получается, что вы должны быть одновременно в двух местах, но в одном теле. Выходит парадокс, но его удалось решить. 

Оказывается парадокса нет, потому что вашего клона никто не увидит. У Кости и вас будут разные объекты наблюдения. С ним вы никогда не увидитесь, и сравнить результаты наблюдений у вас не получится. А того, кто смог бы наблюдать за вами двумя, одновременно из черной дыры и снаружи, не существует. Вывод: законы физики не были нарушены. Но где реальность, вы остались в живых или нет? Реальность зависит от наблюдателя. Право на существование есть у той и другой действительности. 

А на вопрос, что будет с человеком, который попал в черную дыру, так никто и не узнал точного ответа, он остается до сих пор самым спорным в теоретической физике.

Будем надеяться, что мы всё-таки сможем разгадать тайну черной дыры. И будем дальше покорять космос, находя новые загадки.

Источник: vokrug-nas.ru

Не все черные дыры одинаковы

Черные дыры могут иметь разные характеристики, поэтому ни одна из них не является абсолютно одинаковой. Они различаются по размеру; у некоторых есть электрические заряды, в то время как у других нет, в то время как некоторые могут быть неподвижными в отличие от тех, которые вращаются быстро. Черная дыра — это просто колоссальное тело, если смотреть на нее с гравитационной силой других объектов с такой же массой.

Эта масса покрыта горизонтом событий, областью, которая отделяет черную дыру от внешнего пространства. Именно внешняя сторона черной дыры служит завесой и не позволяет нам заглянуть внутрь. Несмотря на то, что горизонт событий служит щитом для черной дыры, он не имеет физической формы. Это просто пространство, покрывающее определенное расстояние, и после его пересечения выход невозможен из-за сильного гравитационного притяжения, упомянутого выше. Даже свет не может избежать огромной силы гравитации, которая находится внутри черной дыры.

Внутри черной дыры

Как только горизонт событий пересекается, вход в черную дыру неизбежен. Ученые называют черную дыру сингулярностью. Это означает, что это точка, где все законы физики становятся идентичными друг другу. Пространство и время перестают существовать как взаимосвязанные реальности и сливаются, теряя всякую независимость.

Как называется граница черной дыры

Время, необходимое для достижения черной дыры, зависит от ее массы, но в общем случае она составляет не более нескольких секунд. Приближаясь к сингулярности, свет из окружающего его пространства все еще виден и продолжает следовать за входом. Из-за замедления времени вселенная за пределами черной дыры кажется, что она движется с более высокой скоростью.

Никто не знает, что будет дальше

Поскольку масса черной дыры сгущается в очень маленькую точку, сила тяжести может сильно варьироваться. Это означает, что любой объект, который входит, начинает быстро менять свою форму. Даже черная дыра растягивается до такой степени, что она занимает большую часть вашего зрения.
После того, как поверхность черной дыры достигнута, все остальное остается загадкой. Ничто не ускользает от сингулярности, поэтому нет способа извлечь точные данные, чтобы выяснить, что именно происходит внутри. С дальнейшими достижениями в наших теориях физики мы должны стать ближе к разгадке этой тайны.

Почему черная дыра также называется сингулярностью?

Потому что это точка, где все законы физики становятся идентичными друг другу. Пространство и время перестают существовать как взаимосвязанные реальности и сливаются, теряя всякую независимость.

Источник: new-science.ru

Что такое черная дыра?

Определяющим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, преодолев которую ничто, даже свет, не сможет вернуться обратно. Если отделенная область становится отделенной навсегда, мы говорим о «горизонте событий». Если же она только временно отделена, мы говорим о «видимом горизонте». Но это «временно» также может означать, что область будет отделенной гораздо дольше нынешнего возраста Вселенной. Если горизонт черной дыры является временным, но долгоживущим, разница между первым и вторым расплывается.

Насколько большие черные дыры?

Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра. По сравнению со звездными объектами, впрочем, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.

Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.

Что происходит на горизонте?

Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все из-за принципа эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницу между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, создающим кривизну пространства. Тем не менее наблюдатель вдали от черной дыры, который наблюдает за тем, как кто-то другой падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, подходя к горизонту. Будто бы время вблизи горизонта событий движется медленнее, чем вдали от горизонта. Однако пройдет некоторое время, и падающий в дыру наблюдатель пересечет горизонт событий и окажется внутри радиуса Шварцшильда.

То, что вы испытываете на горизонте, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше силы. И если только черная дыра будет достаточно массивна, вы сможете преодолеть горизонт еще до того, как заметите, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил растянет вас: технический термин, который для этого используют физики, называется «спагеттификация».

В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но это оказалось не так.

Что внутри черной дыры?

Никто не знает наверняка, но точно не книжная полка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, вы уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, ОТО лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнанно, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.

Как образуются черные дыры?

В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр. Лучше всего понимаем связанный со звездным коллапсом. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже можно было синтезировать, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, вещество начинает проваливаться к собственному гравитационному центру, становясь все более плотным. В конце концов, оно настолько уплотняется, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: так рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы» и наиболее распространены.

А вы когда-нибудь задумывались, что произойдет, если рядом с Землей появится Черная Дыра?

Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.

Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.

На нашем канале Яндекс.Дзен выходят эксклюзивные материалы, которых нет на сайте

Наконец, есть очень умозрительная идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.

Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?

У нас есть много наблюдательных доказательств существования компактных объектов с крупными массами, которые не излучают свет. Эти объекты выдают себя по гравитационному притяжению, например, за счет движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационное линзирование. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это вытекает из наблюдений, потому что вещество, падая на объект с поверхностью, должно вызывать выброс большего числа частиц, чем вещество, падающее сквозь горизонт.

Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?

Он имел в виду, что черные дыры не имеют вечного горизонта событий, а только временный кажущийся горизонт (см. пункт первый). В строгом смысле только горизонт событий считается черной дырой.

Как черные дыры испускают излучение?

Черные дыры испускают излучение за счет квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты вещества, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время коллапсирующей черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависимо от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, падающий в черную дыру, думает, что падает в вакуум, наблюдатель далеко от черной дыры думает, что это не вакуум, а полное частиц пространство. Именно растяжение пространства-времени вызывает этот эффект.

Здесь можно почитать о самой большой Черной Дыре, которую удалось обнаружить на данный момент

Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом, испускаемое черной дырой излучение называется «излучением Хокинга». Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. У звездных и сверхмассивных черных дыр, которые мы знаем, температура значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдается.

Что такое информационный парадокс?

Парадокс потери информации обусловлен излучением Хокинга. Это излучение сугубо термическое, то есть случайно и из определенных свойств имеет только температуру. Излучение само по себе не содержит никакой информации о том, как сформировалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сокращается. Все это совершенно не зависит от вещества, которое стало частью черной дыры или из которого она образовалась. Выходит, зная только конечное состояние испарения нельзя сказать, из чего сформировалась черная дыра. Этот процесс «необратим» — и загвоздка в том, что в квантовой механике нет такого процесса.

Выходит, испарение черной дыры несовместимо с квантовой теории, известной нам, и с этим нужно что-то делать. Каким-то образом устранить несогласованность. Большинство физиков считают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга должно каким-то образом содержать информацию.

Источник: Hi-News.ru

А разве у них есть поверхность? Ведь все привыкли к представлению о черной дыре как о сингулярности скрытой от нашего взора горизонтом события. Впрочем, исследуя термодинамику черных дыр, физики давно пришли к выводу, что они ведут себя не как трехмерные, а как двухмерные объекты. Например, количество составных частей черной дыры как термодинамической системы, пропорционально квадрату радиуса горизонта события, а не его кубу. Но данный «прозрачный намёк» принято относить скорее к проблемам, таким как: Куда девается информация провалившаяся за горизонт события? Если из двух квантово запутанных частиц одна пересекла горизонт события, то с чем запутана оставшаяся?

Однако показать, что такая поверхность вполне материальна, можно используя известные эффекты теории относительности. Так, с точки зрения неподвижного внешнего наблюдателя, никакой падающий в черную дыру объект никогда не пересечет горизонт события, потому что по мере приближения к нему, время в системе отсчета, связанной с объектом, будет замедляться относительно внешнего наблюдателя из-за того, что в гравитационном поле вблизи массивных тел, время даже для неподвижных тел течет медленнее, чем вне поля. Скорость такого объекта относительно внешнего наблюдателя сначала нарастает, а затем замедляется. При приближении к горизонту события время для такого объекта почти остановится, поэтому для того чтобы преодолеть остаток пути с точки зрения внешнего наблюдателя ему потребуется бесконечно большой промежуток времени.

С другой стороны, в системе отсчета связанной с падающим объектом всё произойдет очень быстро. Однако, и в ней пересечь горизонт события не удастся, но уже по другой причине. По мере того, как скорость движения приближается к скорости света, расстояния в направлении движения сокращаются. Поэтому, при движении по радиусу, горизонт события из почти сферического превратится в плоский диск, а события движения горизонта события и центра дыры станут одновременными. Следовательно, оказаться между горизонтом события и центром такой объект не сможет ни в какой момент времени. Кроме того, с точки зрения этого объекта дыра приближается к нему со скоростью, стремящейся к скорости света. Следовательно, ее масса также должна стремиться к бесконечности. Это приводит к увеличению радиуса горизонта события (радиуса диска), и к «обострению» решений уравнений движения.

Для дилетанта, этих рассуждений для двух крайних случаев уже достаточно, чтобы понять, что если в любой внешней системе отсчета ничто не может оказаться внутри горизонта события, то тогда там нет пространства, и не может существовать масса. Однако, аккуратно доказать это совсем не просто. Дело в том, что реальное вещество, в реальную дыру, как правило попадает не по радиусу, а по спирали. Для неподвижного внешнего наблюдателя это еще один механизм замедления падения, а в системе отсчета, связанной с веществом всё сильно усложняется, т.к. надо бы доказать, что длина спирали не возрастает быстрее релятивистского сокращения ее длины. При этом эта спираль после точки пересечения горизонта события оказывается в несуществующем пространстве за пределами применения уравнений гравитации.

Но прежде чем доказать, нужны правильные уравнения. С точки зрения внешнего наблюдателя дыра и падающий в нее объект представляют собой замкнутую систему, для которой должен выполняться закон сохранения энергии. Поэтому масса этой системы во внешней системе отсчета должна оставаться постоянной в процессе падения, а для этого должна оставаться постоянной и масса каждого тела. Однако по мере ускорения объекта его масса согласно специальной теории относительности должна возрастать. Следовательно, необходимо скомпенсировать этот прирост тем, что на ту же величину уменьшается потенциальная энергия объекта и, следовательно, суммарная масса-энергия остается постоянной. Тогда масса неподвижного объекта в гравитационном поле должна уменьшаться по мере приближения к массивному объекту и на границе события для внешнего наблюдателя она стремится к нулю. Поэтому внутри горизонта события массы и нет. Падающее вещество сохраняет массу, но не может пересечь этот горизонт, а масса неподвижного, оставшегося от сверхновой, вещества обнулилась бы при его пересечении. Получается, что выйти наружу из-за горизонта события не может ни только свет, но и гравитация, что логично, т.к. она (гравитационные волны) тоже распространяются со скоростью света.

Жизнь черной дыры в чем-то аналогично жизни звезды солнечного типа. Когда такая звезда израсходует запас водорода, она увеличивается в размерах (для Солнца максимальный радиус может быть близок к орбите Земли), сбрасывает газовые оболочки и затем сжимается в белый карлик. Этот рост размера при уменьшении температуры, а следовательно, сил, удерживающих звезду от сжатия, на первый взгляд, выглядит противоестественно. Также противоестественно выглядит утверждение, что по мере увеличения радиуса горизонта события, как бульдозер ножом, выталкивает массу из центра звезды, сосредотачивая ее перед собой.

Уравнения общей теории относительности (ОТО) представляют собой равенство тензора Эйнштейна, который является дифференциальным оператором второй степени от тензора кривизны пространства g, тензору массы-энергии умноженному на константу. В принципе, ничто не мешает подставлять в эти уравнения «правильные» массы с учетом потенциальной энергии (см. выше) и изменения размерности пространства (см. ниже), но существующая форма тензора массы-энергии слишком уж провоцирует на ошибки. Например, решая уравнения во внешней системе координат, подставляют массу из внутренней (локальной) системы координат (не вычитая потенциальную энергию), скорости из внешней, а напряжения (если их учитывают) опять из внутренней. К тому же чтобы правильно учесть потенциальную энергию надо знать кривизну пространства, т.е. поправки к компонентам тензора массы-энергии должны зависеть от тензора кривизны g, что нарушает красоту уравнений: пространство слева — материя справа. Но тут уж не до красоты — было бы правильно.

Тензор массы-энергии был введен из условия того, чтобы при переходе в другие системы отсчета выполнялись законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Сами эти законы следуют из теоремы Нётер в случае наличия в пространстве соответствующих групп симметрии. Однако, в общем случае искривленного пространства Римана эти группы симметрии отсутствуют. Поэтому Эйнштейн с Клаузифильцем попытались доказать, что поскольку на пространство наложено ограничение в виде уравнений общей теории относительности (ОТО), то реализуется частный случай искривленного пространства, в котором эти группы симметрии присутствуют. Таким образом справедливость законов сохранения пытались доказать при помощи уравнений, выведенных с использованием этих же законов. Но и в этом доказательстве, как было показано Логуновым в семидесятые годы двадцатого века, была допущена математическая ошибка.

То, что в уравнениях ОТО не всё в порядке, обнаруживалось не раз. В результате было создано несколько альтернативных теорий гравитации, в рамках которых пытались преодолеть выявленные недостатки. Однако широкого распространения они не получили не только по физическим, но и по социально-психологическим причинам, аналогичных тем, по которым капитализация биткойна превышает капитализацию большинства альтернативных криптовалют, хотя технологически они почти все лучше биткойна. Если человек сталкивается с чем-то очень сложным, непонятным и трудно проверяемым то, как правило, он не старается преодолеть эту сложность, а идет проторенным путем, доверяя авторитетам, и даже понимая, что он заблуждается, предпочитает заблуждаться вместе со всеми также как и раньше. Так и в теории черных дыр доминируют те представления, которые основаны на изначальном решении уравнений ОТО, несмотря на все их проблемы и несуразности.

С физической точки зрения к этим проблемам привели три ошибки. Во-первых, теория черных дыр возникла из решения Шварцшильда уравнений ОТО для поля, создаваемого материальной точкой. Это самое первое, самое востребованное решение этих уравнений, и до открытия гравитационных волн почти все экспериментальные подтверждения ОТО касались именно него. Оно хорошо описывает гравитационное поле звезд и поле черных дыр, за исключением области, близкой к горизонту события. Однако, это решение для массы сосредоточенной в точке. Данная абстрактная модель изначально, до решения предполагает сингулярность, и решение уравнений «подтверждает» наличие этой сингулярности. Ошибка в том, что изначально предполагается наличие массы там, где ее быть не может.

Во-вторых, в уравнения подставляется масса без учета потенциальной энергии.

В-третьих, всё пространство черной дыры, исключая может быть саму сингулярность, изначально считается четырехмерным пространством-временем, т.е. не рассматривается изменение размерности пространства.

Откуда возникла возможность изменения размерности? В системе отсчета, связанной с падающим по радиусу объектом горизонт события превращается в диск. Достигнув его объект оказывается в двумерном пространстве, т.к. все длины между физическими объектами в направлении движения стремятся к нулю. Поэтому он не может вылететь из этого диска, даже если не столкнется там с веществом. При таком переходе «исчезнувшая» пространственная ось преобразуется в ось времени так, что пространство снаружи становится прошлым для вещества на поверхности черной дыры.

Существенно, что изменение размерности пространства происходит несколько раньше, чем объект достигает горизонта события. Если бы такой переход происходил при достижении самого горизонта, то почти вся масса черной дыры оказалась бы сосредоточенной на горизонте события, но масса неподвижного вещества на горизонте события с точки зрения внешнего наблюдателя равна нулю, т.е. для внешнего наблюдателя такая черная дыра имела бы почти нулевую массу. Это является следствием стремления скорости падающего объекта к скорости света. Однако согласно двойной специальной теории относительности из-за вязкости физического вакуума (взаимодействия с виртуальными частицами) пределом скорости для реального объекта является вторая скорость света, которая немного меньше той, которая используется в уравнениях теории относительности и которой соответствует горизонт события.

Таким образом, существует физический механизм, который «спасает от бесконечностей» за счет сил вязкости физического вакуума и уменьшения размерности пространства. В результате масса черной дыры оказывается сосредоточенной на ее поверхности, которая находится на небольшом расстоянии снаружи горизонта события. Это расстояние может зависеть от распределения масс по поверхности, т.е. у поверхности черной дыры может быть рельеф, который влияет на излучение Хокинга, что разрешает известные проблемы с потерей информации и квантовой запутанности и находится в соответствии с термодинамикой черных дыр.

Такая модель естественным образом объясняет асимметрию вещества и антивещества на поверхности черной дыры. Всё, что упало на эту поверхность снаружи является веществом. Для него время идет в одну сторону, соответственно направлению движения к центру для внешнего «трехмерного» наблюдателя (здесь и далее размерность пространства указывается по количеству пространственно подобных осей). Античастицы, которые как известно «движутся» во времени в обратном направлении, могут образоваться в небольших количествах в процессах взаимодействия этого двумерного вещества. При этом античастицы достаточно высоких энергий, которые могут образоваться, например, при коллапсе двумерного вещества в черную дыру с одномерной поверхностью, могут выйти из двумерного пространства в окружающее трехмерное.

Для описания такого перехода в двумерное состояние в уравнениях ОТО на поверхности черной дыры должны вырождаться уравнения, соответствующие оси времени окружающего пространства, т.е. верхняя строка и левый столбец тензорного уравнения. Для этого в тензоре массы-энергии должны быть соответствующим образом учтены эффекты двойной специальной теории относительности.

Поскольку переход вещества из трехмерного состояния в двумерное в приведенных выше рассуждениях связан с достижением скорости близкой, но меньшей чем скорость света, а не с кривизной пространства, то данное явление, в принципе, должно иметь место и при ускорении вещества вне черной дыры. При этом если элементарные частицы имеют внутреннюю геометрию, что предполагается в теории суперструн и некоторых других теориях, сводящих физику к геометрии, то частицы с трехмерной геометрией при достижении таких скоростей будут становиться неотличимыми от частиц с двумерной геометрией, являющейся проекцией данной трехмерной геометрии, на плоскость перпендикулярную направлению движения. Здесь речь идет о геометрии частицы в размерностях окружающего пространства, а сама частица может иметь дополнительные локально свернутые размерности. Известно, что существует уровень энергии, при котором происходит объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие, что приводит к тому, что частицы, отличающиеся только зарядом слабого взаимодействия становятся неотличимыми. Естественно предположить тождественность этих переходов, т.е. что уменьшение размерности связано с объединением взаимодействий. Тогда, по аналогии можно предположить, что при достижении еще более высокого уровня энергии, при котором электрослабое взаимодействие объединяется с сильным, частицы становятся одномерными, а при энергии великого объединения остается единственная ось времени, т.е. все частицы без локально свернутых размерностей превращаются в кванты времени. При этом частицы с меньшей размерностью в пространстве с большей размерностью будут релятивистскими.

Теперь представим такую ситуацию. В четырехмерном пространстве вещество на ранних стадиях своей эволюции испытало уменьшение размерности. Это может быть не только при достижении поверхности трехмерной черной дыры в четырехмерном внешнем пространстве, но и, например, при выбросе вещества из белой дыры. Тогда также будет иметь место превалирование вещества над антивеществом, если перед уменьшением размерности это вещество двигалось в одну сторону. При этом трехмерные частицы станут релятивистскими в исходном четырехмерном пространстве. Однако относительно друг друга они могут двигаться с малыми скоростями, что позволит им сконденсироваться в барионное вещество, эволюция которого может привести к появлению в этом веществе физиков.

Эти физики, естественно, будут считать, что находятся в неподвижной системе координат, а частицы с двумерной и одномерной геометрией будут считать релятивистскими. Частицы «неподвижные» (точнее, не релятивистские) в исходном четырехмерном пространстве также будут для них релятивистскими, потому что соотношение времени в четырехмерном пространстве течет быстрее времени в трехмерном в огромное количество раз, и поэтому даже небольшая (для «четырехмерного» наблюдателя) составляющая скорости «неподвижных» частиц в проекции на оси трехмерного пространства с точки зрения находящихся в нем физиков будет восприниматься как скорость света. При этом они обнаружат, что эти «неподвижные» частицы не имеют парных античастиц, и все пары частица-античастица аннигилируют с образованием именно этих «неподвижных» частиц (в силу действия закона сохранения количества движения в исходном четырехмерном пространстве). Кроме того, они обнаружат, что масса частиц из которых состоят физики, является следствием нарушения симметрии, для объяснения чего им придется придумывать поле Хиггса. Ведь им скорее всего не придет в голову более простое объяснение, что это обычная масса, обусловленная движением релятивистских частиц в исходном четырехмерном пространстве, которая сохраняется и в трехмерном, но выглядит как следствием нарушения симметрии. Вам это ничего не напоминает?

Источник: habr.com

Чёрная дыра
Чёрная дыра промежуточной массы в представлении художника. Авторы и права: Alain Riazuelo / CC BY-SA 2.5.

Чёрные дыры – одни из самых странных и удивительных объектов космоса. Они обладают чрезвычайной плотностью с настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может избежать его, если проходит достаточно близко.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование чёрных дыр в 1916 году в его общей теории относительности. Термин “чёрная дыра” был введён много лет спустя, в 1967, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда чёрные дыры были известны только как теоретические объекты, первая из когда-либо обнаруженных физических чёрных дыр была замечена в 1971 году.  

После этого, в 2019 коллаборация телескопа EHT (the Event Horizon Telescope) выпустила первое из когда-либо полученных изображений чёрной дыры. Телескоп EHT увидел чёрную дыру в центре галактики M87, когда исследовал горизонт событий, или область, минув которую, ничто не может покинуть чёрную дыру. Изображение отображает стремительную потерю фотонов (частиц света). Также, оно открывает совершенно новую область исследования чёрных дыр, теперь астрономы знают, как чёрные дыры выглядят.

На сегодняшний день астрономы выявили три типа чёрных дыр: чёрные дыры звёздной массы, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры с промежуточной массой.

Чёрные дыры звёздной массы – маленькие, но опасные

Когда звезда сжигает последнее топливо, объект может коллапсировать либо упасть сам на себя. Для меньших звёзд (вплоть до масс порядка трёх солнечных масс), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Когда же коллапсирует звезда большей массы, она продолжает сжиматься и образует чёрную дыру звёздной массы.

Чёрные дыры, образованные в результате коллапса отдельных звёзд, относительно малы, но невероятно плотные. Один из таких объектов упаковывает более трёх масс Солнца в диаметр, сопоставимый с размерами одного города. Это приводит к сумасшедшей величине гравитационной силы, воздействующей на объекты вокруг. Далее чёрные дыры звёздной массы поглощают пыль и газ из окружающих галактик, что способствует увеличению из размеров.

Фото чёрной дыры
C помощью сети радиотелекопов EHT, учёным удалось сфотографировать чёрную дыру в галактике M87. Авторы и права: NASA / EHT Collaboration.

Согласно Гарвард-Смитсоновскому центру астрофизики, “Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов” чёрных дыр звёздной массы.

Сверхмассивные чёрные дыры – рождение гигантов

Вселенная заполнена маленькими чёрными дырами, но их кузены, сверхмассивные чёрные дыры преобладают. Эти гигантские чёрные дыры в миллионы или даже в триллионы раз массивнее Солнца, но приблизительно одного с ним диаметра. Считается, что такие чёрные дыры находятся в центре практически любой галактики, включая Млечный Путь. Учёные не знают точно, как рождаются такие большие чёрные дыры. Однажды сформировавшись, эти гиганты собирают массу из пыли и газа вокруг –  материал, который в центрах галактик имеется в изобилии и позволяет им расти до ещё более невероятных размеров.

Сверхмассивные чёрные дыры, возможно, появляются вследствие слияния сотен или тысяч крошечных чёрных дыр. Большие газовые облака также могут быть за это ответственны, когда коллапсируют и стремительно аккрецируют массу. Третьим вариантом является коллапс звёздного кластера, группы вместе падающих звёзд. Четвёртый вариант: сверхмассивные чёрные дыры могли бы возникать из больших кластеров тёмной материи. Это субстанция, которую мы можем наблюдать через гравитационное действие на другие объекты; однако, мы не знаем, из чего тёмная материя состоит, потому что она не излучает свет и не наблюдается напрямую.

Чёрные дыры средней массы – застрявшие по середине

Учёные считали, что чёрные дыры доходят только до малых или больших размеров, но недавние исследования выявили возможность существования чёрных дыр промежуточных размеров (InterMidiate Black Holes – IMBHs). Такие объекты могут сформироваться, когда звёзды в кластере сталкиваются в цепной реакции. Несколько таких IMBHs, сформированных в одной области, должны в конце концов объединиться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную чёрную дыру.

Галактика M82
Галактика Мессье 82, в которой была обнаружена чёрная дыра промежуточной массы M82 X-1. Авторы и права: NASA / H. Feng et al.

В 2014 году астрономы нашли объект, оказавшийся чёрной дырой промежуточной массы, в рукаве спиральной галактики.

“Астрономы очень усердно искали такие чёрные дыры средней массы”, – говорит соавтор исследования Тим Робертс из Даремского университета в Соединенном Королевстве. Он утверждает: “Догадки об их существовании были, но IMBHs вели себя, словно давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли”.

В более новом исследовании, 2018 года, предполагается, что эти чёрные дыры могут существовать в центрах карликовых галактик (или, очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были неизвестны науке до этого исследования) выявили активность рентгеновского излучения – обычно свойственную для чёрных дыр – приводя к предположению о присутствии чёрных дыр от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация была получена в данных обзора Sloan Digital Sky Survey, в результате которого проанализировано около миллиона галактик и задетектирован тот вид света, который часто наблюдается от чёрных дыр, собирающих осколки материи поблизости.

Как чёрные дыры выглядят?

Чёрные дыры состоят из трёх “слоёв”: внешнего и внутреннего горизонта и сингулярности.

Горизонт событий чёрной дыры – это граница вокруг “рта” чёрной дыры, пройдя которую, свет не может уже ее покинуть. Гравитация постоянна на всём горизонте событий.

Внутренний регион чёрной дыры, где находится масса объекта, известен как сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сконцентрирована вся масса чёрной дыры.

Фото чёрной дыры
Первые прямые визуальные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры в центре эллиптической галактики Мессье 87 и её тени. Граница чёрной дыры – горизонт событий – примерно в 2,5 раза меньше, чем тень, которую она отбрасывает. Авторы и права: EHT Collaboration.

Учёные не могут видеть чёрные дыры так, как могут видеть звёзды и другие объекты в космосе. Вместо этого, астрономы должны полагаться на детектирование излучения чёрной дыры, испускаемое, когда пыль и газ вращаются вокруг неё. Но сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом, которые могут блокировать испускаемый свет.

Иногда, по мере того, как материя вращается и падает навстречу чёрной дыре, она отталкивается от горизонта событий назад и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть затянутой в пасть. Возникают яркие джеты материи, путешествующие на скоростях, близких к световым. Хотя чёрная дыра остаётся невидимой, эти мощные джеты могут быть замечены с огромных дистанций.

Изображение чёрной дыры в галактике M87, полученное телескопом EHT (выпущенное в 2019 году) было экстраординарным трудом, потребовавшим два года исследований, даже после того, как изображение было получено. Это всё потому, что коллаборация телескопа, которая включает в себя многие обсерватории по всему миру, собрала астрономический объём данных, настолько большой, что он не мог быть передан с помощью интернета.

Аккреционный диск
Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.

Со временем исследователи планируют получить изображения других чёрных дыр и создать репозиторий того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, является Стрелец А* – чёрная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что она тише, чем ожидалось, что возможно происходит из-за магнитных полей, которые душат её активность, – так сообщается в докладе исследования 2019 года. Другое исследование этого года показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что даёт беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая чёрную дыру среда.

Сияющий свет бинарной системы чёрных дыр

В 2015 году астрономы, используя обсерваторию LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), задетектировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр звёздных масс.

“У нас есть ещё большее подтверждение существования чёрных дыр звёздных масс, которые обладают массой более чем 20 солнечных – о существовании этих объектов мы не знали до того, как LIGO увидел их”, – сказал представитель коллаборации LIGO Дэвид Шумахер в своем заявлении.

Наблюдения LIGO также дают информацию о направлении вращения чёрной дыры. Обращаясь одна вокруг другой, они могут вращаться (каждая вокруг своей оси) в одном направлении либо в противоположных.

Гравитационные волны
Иллюстрация гравитационных волн. Авторы и права: NASA / CXC / M.Weiss.

Существует две теории о том, как формируются бинарные системы чёрных дыр. Первая предполагает, что обе чёрные дыры в паре формируются приблизительно в одно и то же время из двух звёзд, родившихся вместе и со взрывом погибших почти одновременно. Звёзды-компаньоны имеют ту же ориентацию вращения относительно друг друга, что и две оставшиеся чёрные дыры.

По второй модели чёрные дыры в звёздном кластере смещаются вплоть до центра кластера. У таких компаньонов направления вращения должны быть случайными друг относительно друга. Наблюдения LIGO чёрных дыр-компаньонов с разными направлениями вращения дают более сильное подтверждение этой теории формирования.

“Мы начинаем набирать реальную статистику для бинарных систем чёрных дыр”, – сказал учёный LIGO Кета Кавабе из Калифорнийского технологического института, базирующегося на Хэнфордской обсерватории LIGO. “Это интересно, потому что некоторые модели образования двойных чёрных дыр в некоторой степени предпочтительнее других уже сейчас, и в будущем мы сможем ещё больше сузить этот круг”.

Странные факты о чёрных дырах

— Теория долго предполагала, что если бы вы упали в черную дыру, гравитация растянула бы вас в спагетти. Так что вы бы умерли до того, как достигли бы сингулярности. Но в 2012 году в журнале Nature опубликовали статью с предположением, что из-за квантовых эффектов горизонт событий ведет себя как стена из огня, которая бы моментально сожгла вас.

– чёрные дыры не всасывают. Всасывание обуславливается вталкиванием чего-либо в вакуум, чего чёрные дыры определённо не делают. Вместо этого, объекты падают на них, как падали бы на что-либо, что оказывает гравитационное притяжение, как Земля.

– первым объектом, который рассматривали как чёрную дыру, считается Лебедь X-1. Лебедь X-1 был в 1974 году предметом дружеского пари между Стивеном Хокингом и его коллегой физиком Кипом Торном, причём Хокинг сделал ставку на том, что источником была не чёрная дыра. В 1990 Хокинг признал поражение.

Черная дыра
Огромное количество потенциально пригодных для жизни планет теоретически может существовать на стабильных орбитах вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Авторы и права: Paramount Pictures.

– миниатюрные чёрные дыры могли сформироваться сразу после большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые области в крошечные, плотные чёрные дыры с массами меньше солнечной.

– если звезда проходит слишком близко к чёрной дыре, звезда может разорваться на части.

– астрономы оценивают, что Млечный Путь содержит от 10 миллионов до 1 триллиона чёрных дыр звёздной массы, с массами приблизительно около трёх солнечных масс.

– чёрные дыры остаются хорошей пищей для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм “Интерстеллар”, в котором Торн во многом использовал научные знания. Работа Торна с командой специалистов по спецэффектам позволила учёным лучше понять, как могут выглядеть далёкие звёзды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся чёрной дыры (гравитационное линзирование).

Источник: universetoday.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.