Как появилась черная дыра


Кто первым предположил существование чёрных дыр?

Предположение о существовании чёрных дыр первым сделал Альберт Эйнштейн. Он представил пространство и время в виде ткани. Планеты и звёзды давят на эту ткань, образуя углубления. В минуту озарения он понял, что гравитация — это не сила, а искривление этой ткани. Углубления притягивают к себе объекты. Когда эта ткань растягивается до предела, в пространстве появляется дыра. Дыра, в которой могут исчезать объекты.

Кто первым предположил существование чёрных дыр?

Что такое чёрная дыра?

Чёрная дыра — это область космоса, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже свет не может покинуть её пределы. В буквальном смысле пространство и время обрушиваются в бездну. Само пространство падает в чёрную дыру подобно водопаду, только в роли воды здесь выступает пространство. Представьте себе человека на байдарке, который пытается подняться вверх по течению реки, но течение оказывается слишком сильным для него. Таким же образом чёрная дыра затягивает в себя пространство. Роль быстрого течения здесь выполняет гравитация. В определённый момент объект, попавший в чёрную дыру, достигает горизонта событий — точки, из которой нет возврата.


Что такое чёрная дыра?

Как рождаются чёрные дыры?

Чёрные дыры возникают из огромных звёзд, известных как красные гиганты. Они в разы тяжелее нашего Солнца, но полностью выгорают всего за небольшой отрезок их жизни. Гравитационная сила такой звезды заставляет температуру подниматься выше миллиарда градусов. Гелий и углерод переплавляются в более тяжёлые элементы, а затем звезда сжимается и взрывается под тяжестью своей огромной гравитации, распространяя вокруг себя ударную волну.

Происходит взрыв со вспышкой сверхновой звезды. На её месте остаётся плотное ядро из субатомных частиц — нейтронная звезда либо чёрная дыра, диаметром всего несколько километров. Но его плотность настолько огромна, что чайная ложка, сделанная из такого материала, будет весить около миллиарда тонн. Гравитационное притяжение вырастет до таких пределов, что уже ничто не сможет вырваться оттуда.
Как рождаются чёрные дыры?

Какова масса чёрной дыры?


Масса чёрной дыры в миллионы раз превышает массу Земли, и сама чёрная дыра настолько плотная, что в буквальном смысле выходит за пределы известной Вселенной. Эта масса порождает складку в пространстве, которая закручивается и принимает форму дыры.

Какова масса чёрной дыры?

Есть ли реальные изображения чёрных дыр?

Первое в истории реальное изображение черной дыры было получено в апреле 2019 года. Данное изображение — результат почти двух лет обработки данных, полученных радиотелескопами с разных точек нашей планеты. Чёрная дыра находится в далекой галактике Messier 87 (M87) на расстоянии почти 50 миллионов световых лет. Её масса превышает массу Солнца в 6,5 миллиардов раз.

Есть ли реальные изображения чёрных дыр?

5. Есть ли реальные изображения чёрных дыр?

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?


Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.
Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

С какой скоростью движется объект, попавший под влияние чёрной дыры?

Когда материя попадает в чёрную дыру, она начинает вращаться по спирали. Это похоже на воду, входящую в водосток. Скорость, которую может достигать материя во время вращения вокруг чёрной дыры, приближается к скорости света. Чем ближе к чёрной дыре, тем выше скорость.

С какой скоростью движется объект, попавший под влияние чёрной дыры?

Что такое излучение Хокинга?


Стивен Хокинг установил, что чёрные дыры выделяют тепло, источником которого являются положительно заряженные частицы. Этот процесс получил название излучение Хокинга.

Что за Лебедь X-1?

В 1964 году канадские учёные обнаружили космический объект, который излучает мощные рентгеновские волны. Этот объект, получивший название Лебедь X-1, стал первым кандидатом в чёрные дыры. Лебедь X-1 был предметом пари между Стивеном Хокингом и его коллегой-физиком Кипом Торном. Хокинг ставил на то, что Лебедь X-1 не является чёрной дырой. Он признал поражение в 1990 году, когда данные наблюдений показали, что масса Лебедя X-1 уменьшилась до 5 масс Солнца, но его гравитационное притяжение остаётся огромным.

Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?

В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.


Источники:
ru.wikipedia.org
NASA
Наука и жизнь


Источник: zagge.ru

Общая теория относительности как отправная точка

Понятие черной дыры становится значимым только тогда, когда мы связываем его с теорией общей теории относительности. В последнем пространство-время искривлено массой. Чем массивнее объект, тем больше искривляется пространство-время. Например, масса Солнца искажает пространство-время. Таким образом, Земля вращается вокруг Солнца, казалось бы, подвергаясь его притяжению, но объяснение состоит в том, что она заимствует кривизну пространства-времени, которую индуцировала масса Солнца. Если бы не было такого искажения, то Земля отправилась бы прямо в космос.

Черная дыра имеет такую большую плотность, что она приводит к чрезвычайно глубокому гравитационному колодцу, который разрывает пространство-время. Порожденная кривизна настолько сильна, что из этого колодца уже ничто не может выбраться.

Как образуется черная дыра?


Чтобы избежать притяжения массивного объекта, необходимо иметь достаточно высокую скорость. Это называется «скорость освобождения». Например, если вы хотите отправить зонд на другую планету, важно вывести его за пределы скорости освобождения Земли. Скорость освобождения Земли составляет 11,2 км/с, Луны — 2,4 км/с, Солнца — 617,5 км/с. Таким образом, чем больше масса объекта, тем быстрее увеличивается скорость освобождения. Важно также отметить, что скорость высвобождения зависит от того, где мы находимся по отношению к центру планеты. Легче уйти от земного притяжения, когда мы уже находимся на высоте 10 000 км, чем когда мы уходим с поверхности земной коры.

Например, можно было бы представить себе звезду настолько массивной, что скорость выхода была бы равна — или даже больше — скорости света (300 000 км/с). Это бы означало, что ничто, даже свет, не сможет вырваться из гравитационного поля звезды.

То, что мы видели выше, является чисто теоретическим, теперь нам нужно проявить конкретный интерес к тому, что может произойти, чтобы привести к образованию «черной дыры». Для этого необходимо интересоваться жизнью звезды.

Начало жизни звезды, которая родит черную дыру

Звезда — это огромная газовая сфера, состоящая в основном из водорода и гелия. Газ не уходит от звезды, потому что он удерживается гравитацией.


омы водорода настолько сжимаются и сдавливаются внутри звездной сферы, что единственный способ их сосуществования — это слияние их атомов. Этот ядерный синтез атомы водорода приводят к образованию гелия. Количество энергии, испускаемой при этой реакции, настолько велико, что оно будет конкурировать с гравитационным действием, которое воздействует на водород. Энергия, излучаемая ядерным синтезом, создает силы, противоположные силе притяжения, которые устанавливают баланс внутри звезды. Эта противоположная сила называется «радиационным давлением». Интенсивная энергия, вырабатываемая ядерным синтезом, неизбежно вызывает тепло, и когда электроны оторваны от водорода, звезда находится в плазменном состоянии.

Как появилась черная дыра
Плазма Солнца. Предоставлено: NASA

Конец жизни звезды, которая родит черную дыру

Затем гелий, образовавшийся в результате ядерного синтеза, скапливается в центре звезды, увеличивая силу гравитации. В результате увеличивается плотность звезды, что приводит к более интенсивным ядерным реакциям между атомами водорода, гелием и другими элементами, созданными в результате термоядерного синтеза. Это делается для того, чтобы восстановить равновесие между двумя противоборствующими силами. Именно от слияния водорода с гелием в звездах могут образоваться все остальные элементы периодической таблицы каскадным слиянием!


Но в жизни звезды наступает момент, когда ядерный синтез уже не может компенсировать гравитационную силу звезды — которая постепенно нарастает. Таким образом, ядро ее сжимается, и частицы оказываются сжатыми в центре звезды. Все эти реакции призваны заменить отсутствие ядерного синтеза, который позволил звезде иметь стабильность между двумя противоположными силами (гравитационной силой звезды и радиационным давлением).

Однако давление, противоположное гравитации, здесь больше не называется давлением излучения, а давлением вырождения. В то время плотность звезды огромна. Вес, который будет содержать 1 см³ ядра, ошеломляет: 100 миллионов тонн!

Если звезда становится в 3,2 раза массивнее массы Солнца, сила вырождения уже недостаточно сильна, чтобы противостоять силе гравитации. У звезды не останется другого выбора, кроме как рухнуть на себя, в невероятно крошечную точку, которая будет содержать всю массу ядра, и таким образом превратиться в черную дыру!


Как появилась черная дыра

Как черная дыра искажает пространство-время?

Когда пространство-время искажается, меняется не только пространство (что объясняет, как Земля вращается вокруг Солнца), но и время. Общая теория относительности тесно связывает эти два аспекта, и это позволяет сказать, что чем больше масса, тем больше замедляется время вокруг объекта.

Давайте возьмем двух человек: А и Б. А — далеко от массивного объекта, в то время как Б — очень близко. У А создается впечатление, что Б идет в замедленном режиме. Но Б не чувствует замедления, и для него время проходит нормально.

Таким образом, время течет медленнее на Земле, чем на Луне. Но их масса недостаточно велика, чтобы разница в течение времени была заметна между ними. Для более любопытных: конкретное объяснение нашего GPS, чтобы объяснить и доказать разницу во времени, доступно в последней части этой статьи.

С другой стороны, масса черной дыры такова, что разница во времени между кем-то на краю черной дыры и далеким человеком, наблюдающим за первым человеком, очевидна.
едставим, например, человека, который вплотную приближается к черной дыре, а вы — зрителя, любующегося зрелищем. Вы обнаружите, что ваш друг кажется почти неподвижным, и время и дата, указанные его смартфоном, будут меняться очень мало с течением времени — даже после нескольких лет наблюдения. Что касается смелого путешественника, он увидит, как вы стареете и умираете в течение дня. Он может даже опечалиться, увидев уничтожение Солнца и, следовательно, нашей планеты. Таким образом, время становится относительным как функция искажения пространства-времени, вызванного объектом большой массы.

Как появилась черная дыра

Далее: спутники наших GPS используют общую теорию относительности и доказывают искажение пространства-времени

Чтобы спутники, работающие для нашего GPS, могли работать правильно и точно, они используют прогноз относительности, чтобы указать нам правильное направление.

Общая относительность указывает на замедление времени для движущихся объектов. Часы спутника примерно на 7 микросекунд медленнее наших после суток (потому что он находится на орбите со скоростью 14 000 км/ч). Наш GPS-приемник получает сигнал со спутника с задержкой 7 микросекунд. Если бы она не учитывала задержку спутника, мы были бы в двух километрах от места, указанного нашим GPS. Фактически, задержка тактовых импульсов должна умножаться на скорость света (скорость, с которой распространяется сигнал спутника).

Кроме того, общая теория относительности указывает, что время течет медленнее в более интенсивном гравитационном поле. Таким образом, атомные часы на Земле на 45 микросекунд отстают от спутников. Поэтому, если мы сделаем 45 минус 7, мы определим, что каждый день спутниковые часы считают на 38 микросекунд больше день за днем. Если приемник не принял во внимание эту задержку, то каждый день будет отображаться смещение в 11 км по индикации нашего GPS!

Источник: new-science.ru

Как появилась черная дыра

“Физики недоумевают, почему сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной, расположенные в центральных областях гало тёмной материи, растут так быстро за такое короткое время”, – сказал Хай-Бо Ю, доцент физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Это как пятилетний ребёнок, который весит, скажем, 100 килограммов. Такой ребёнок удивит всех нас, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Что касается чёрных дыр, у физиков есть общие ожидания относительно массы зародышевой чёрной дыры и скорости её роста. Присутствие сверхмассивных чёрных дыр предполагает, что эти общие ожидания были нарушены, что требует новых данных. И это захватывающе.

Поэтому вместо того, чтобы пытаться сформировать чёрные дыры в результате гибели массивных звёзд, а затем пытаться заставить их накопить достаточно материала, чтобы вырасти до статуса сверхмассивных чёрных дыр, возможно, их сформировало что-то другое – гало тёмной материи.

“Наша работа предлагает альтернативное объяснение: ореол тёмной материи испытывает гравотермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую чёрную дыру”, – сказал Ю.

В ранней Вселенной существовало много тёмной материи. На её долю приходится более 80% всей материи в космосе, и первые галактики выросли внутри гораздо более крупных сгустков тёмной материи или гало. Но для того, чтобы тёмная материя схлопнулась и сформировала чёрную дыру, она должна взаимодействовать сама с собой. Таким образом, она может потерять всю кинетическую энергию, полученную при коллапсе, что позволит ей достичь достаточно высокой плотности, чтобы образовать чёрную дыру.

Поскольку эта чёрная дыра родится из гораздо большего количества материала, чем звезда, она уже будет на пути к тому, чтобы стать сверхмассивной.

“Преимущество нашего сценария заключается в том, что масса зародышевой чёрной дыры может быть высокой, поскольку она создаётся в результате коллапса гало тёмной материи”, – сказал Ю. “Таким образом, она может превратиться в сверхмассивную чёрную дыру за относительно короткий промежуток времени”.

В этой модели гало тёмной материи не делает всей работы. Барионы – нормальная материя – тоже помогают.

Таким образом, в исследовании было показано, что, во-первых, присутствие барионов, таких как газ и звёзды, может значительно ускорить начало гравотермического коллапса ореола, а чёрная дыра может быть создана достаточно рано. Во-вторых, самовзаимодействие может вызвать вязкость, которая рассеивает остаток углового момента центрального гало. В-третьих, был разработан метод исследования условия запуска общей релятивистской нестабильности коллапсирующего гало, которая гарантирует, что при выполнении определённых условий может образоваться первоначальная чёрная дыра.

Во многих галактиках звёзды и газ доминируют в их центральных областях. Таким образом, естественным будет следующий вопрос: как присутствие этой барионной материи влияет на процесс коллапса. В своей работе исследователи показали, что это ускорит наступление коллапса. Данная особенность – именно то, что нам нужно, чтобы объяснить происхождение сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной.

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.