Как рождаются черные дыры


Как рождаются черные дыры
Некогда яркие звезды стали невидимыми, а на их месте появились черные дыры. Это одни из самых загадочных космические объектов. Наличие черных дыр — обычное явление для Вселенной, но необычное для человеческого ума. Чудеса, происходящие в космосе, поражают воображение.
Черной дырой называют ограниченную область, которая обладает настолько сильным гравитационным притяжением, что фотоны светового излучения не могут вырваться за ее пределы.
Фотоны — это частицы света, которые никогда не стоят на месте. Они перемещаются с огромной скоростью — 300 000 км в секунду. Энергия движения фотонов называется кинетической. Из-за нее световые частицы не способны противостоять гравитации черных дыр.
Почему звезды сияют
Свет, исходящий от звезд, получается в результате борьбы между ядерной и гравитационной силой. Как все происходит? Гравитация сдавливает газ, направляя его к центру звезды. Получается ядерный синтез — слияние легких атомных ядер в тяжелые. При соединении происходит колоссальный выброс энергии, в том числе фотонов, несущих свет.
В свою очередь ядерный синтез противится тяготению, не допуская сжатия звезды. Когда ядерное топливо будет израсходовано, ничто не помешает действию гравитационной силы.


Звездный коллапс
Основная часть атомной массы заключена в крохотном ядре. Его окутывает обширное облако, состоящее из электронных частиц. Когда притяжение сдавливает это облако, звезда уплотняется до габаритов планеты и превращается в белого карлика.
Плотность карлика можно сравнить с массой Солнца. У звезд, близким по своим размерам к Солнцу, силе гравитации противостоят электроны. При превышении 1,4 массы Солнца гравитация сжимает электронное облако так сильно, что оно перестает существовать. В этом случае электроны соединяются с протонами и образуют нейтроны. Из белого карлика светило превращается в нейтронноё светило, размер которой равен небольшому астероиду. Нейтронные звезды отличаются самой большой плотностью во Вселенной.
Как рождается черная дыра?
Если гравитация продолжает увеличиваться, нейтроны неспособны ей противостоять. Под сильнейшим нажимом нейтронное светило превращается в нечто труднообъяснимое. Происходит явление, называемое сингулярностью. Какие-либо предсказания и вычисления становятся бессмысленными, ведь происходящее не поддается анализу и находится за пределами человеческого мозга.
Еще одно толкование слова «сингулярность» — точка, в которой что-то стремится к бесконечности.
которые ученые принимают такое объяснение, считая, что в эпицентре черной дыры расположена некая область с нулевым объемом и бесконечной плотностью.
Светило как будто исчезает. Остается гравитация и она — черная дыра. Гравитационную тень или границу черной дыры называют горизонтом событий. За пределами этой границы начинается область, откуда притяжение ничего не выпускает, в том числе свет.
Как астрономы обнаруживают черные дыры
Ученые находят предполагаемых кандидатов на черные дыры по действиям, которые происходят вокруг них.
1. То, как движутся скопления звезд. Если они вращаются вокруг пустоты, тогда можно говорить о существовании черной дыры в этом вакууме.
2. Черная дыра притягивает слои газа и космическую пыль. Эти вещества закручиваются вокруг нее по спирали, быстро вращаясь и образуя сияющий аккреционный диск. На невероятной скорости частицы сильно разогреваются и начинают источать рентгеновские лучи. Характер излучения позволяет определить наличие черной дыры.

Эти способы не дают однозначного ответа и не позволяют утверждать, что в пространстве находится именно черная дыра, а не что-то другое. Пока эта задача не разрешима. Можно только надеяться, что в будущем наука продвинется вперед и полностью раскроет тайну черных дыр.

Источник: word-science.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. Атомы 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 рождаются черные дыры
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 рождаются черные дыры

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 течении 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. Представим, 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 рождаются черные дыры


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 образуются черные дыры


Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.

Для типичной черной дыры звездной массы (M=10Msun)1 гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·1014 г/см3, то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см3), она равна плотности вещества атомного ядра.

Для черной дыры в ядре галактики (M=1010Msun) гравитационный радиус равен 3·1015  см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца — равна 150 млн. км или 1,5·1013 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10–3 г/см3, что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10–3 г/см3 (!).


Для Земли (M=3·10–6Msun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρкр = 2·1027 г/см3, что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.

Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света = 300000 км/с.

Дальше пресс не понадобится — сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет — «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.

Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством — отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10–13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.

Белые карлики

Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4Msun, термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.

Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.

Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик — объект с радиусом порядка радиуса Земли (~104 км), массой менее 1,4Msun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 1010, то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.

Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4Msun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.

Нейтронные звезды

Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4Msun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.

Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.

Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4Msun, то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4Msun, но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3Msun, то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.

Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.

При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.

Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3Msun, скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.

Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Черные дыры

Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3Msun, то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.

Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 105–106 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10–3 секунды.

Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары — источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.

У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» — все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.

Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3Msun, испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).

В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.

Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.

Источник: elementy.ru

Обычные черные дыры. Небольшие, но смертельные

Когда звезда сжигает свое последнее топливо, она сильно уменьшается в размерах. Небольшие звезды, имеющие массы примерно в три раза больше массы Солнца, превращаются в нейтронные звезды или белые карлики. Но когда коллапсирует звезда побольше, она продолжает сжиматься и создает обычную черную дыру.

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд относительно невелики. Но имеют невероятную плотность. Такой объект содержит три массы Солнца в области размером с небольшой город. Такая плотность материи приводит к возникновению колоссального гравитационного поля. Черные дыры поглощают пыль и газ из пространства вокруг себя. И поэтому растут в размерах.

Согласно данным исследования Гарвардско-Смитсоновского Центра астрофизики, наша галактика Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов черных дыр.

Супермассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленьких черных дыр достаточно много во Вселенной. Однако доминируют в пространстве дыры побольше. Супермассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз тяжелее, чем Солнце. Но имеют радиус, близкий к радиусу ближайшей звезды к Земле. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые пока до конца не определились, как именно возникают такие крупные черные дыры. Как только они рождаются, они, возможно, начинают набирать массу из пыли и газа вокруг себя. То есть того материала, который изобилует в центре галактик. И это позволяет им вырастать до огромных размеров.

Супермассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч небольших черных дыр. Большие газовые облака также могут быть вовлечены в этот процесс. Они позволяют черным дырам быстро наращивать массу. Третий вариант — крах звездного кластера, когда группа звезд коллапсирует одновременно.

Промежуточные черные дыры — застрявшие посередине

Ученые когда-то считали, что черные дыры имеют только малые и большие размеры. Но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в кластере сталкиваются по цепной реакции. Некоторые из этих звезд, образовавшихся в одной и той же области пространства, в конечном итоге могут коллапсировать вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, оказавшийся черной дырой промежуточной массы. Он находится в рукаве спиральной галактики.

Теория черных дыр — как они работают

Черные дыры невероятно массивны. Но при этом занимают небольшую область пространства. Между массой и гравитацией существует прямая связь. Это означает, что они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Практически ничто не может уйти от них. В классической физике даже свет, попадая в черную дыру, не может покинуть ее.

Такое сильное притяжение создает проблему наблюдения, когда дело доходит до черных дыр. Ученые просто не могут «видеть» их так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Для обнаружения этих объектов ученые полагаются на излучение, которое испускается, когда пыль и газ поглощается черной дырой. Супермассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут оказаться окутаны пылью и газом, находящимися вокруг них. Это может блокировать наблюдение контрольных выбросов.

Иногда, когда материя двигается к черной дыре, она рикошетом покидает горизонт событий и вылетает наружу, а не втягивается внутрь. Создаются яркие струи материала, движущегося с практически релятивистскими скоростями. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.

Горизонт событий

Черные дыры имеют три «слоя» — внешний, горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры — это то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть черную дыру. На горизонте событий гравитация постоянна.

Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известна как сингулярность. Это единственная точка в пространстве — времени, где сосредоточена масса черной дыры.

По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица. Это частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица-античастица может аннигилировать.

Если пара частица-античастица создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.

Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы, использующие гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента наблюдалось несколько других подобных инцидентов. Гравитационные волны, замеченные LIGO, возникли от слияния небольших черных дыр.

Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращается по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении. Или направления вращения могут быть совершенно разными.

Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первая предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время, от двух звезд. Они могли родиться вместе и погибнуть примерно одновременно. Звезды-компаньоны имели бы похожее направление вращения. Поэтому черные дыры, которые они оставили, тоже вращались бы подобным образом.

По второй модели черные дыры в звездном кластере опускаются в его центр и соединяются. У этих компаньонов были бы случайные ориентации спина по сравнению друг с другом. Наблюдения черных дыр с различной ориентацией спина, произведенные с помощью LIGO, дают более убедительные доказательства этой теории образования.

Источник: alivespace.ru

Черная дыра — это объект с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть ее пределов. Обычная черная дыра представляет собой последний этап жизни некогда массивной звезды.

Прошлая жизнь черной дыры

Звезда по большей части является скоплением огромного числа атомов водорода. В ядре звезды под действием собственной сильной гравитации происходят термоядерные реакции, в ходе которых атомы водорода объединяются в атомы гелия, выделяя в этом процессе огромное количество энергии. Эта энергия в виде излучения оказывает сопротивление гравитации, сохраняя баланс между этими двумя силами. До тех пор пока в звезде имеется достаточно водорода, звезда остается стабильной.

Более массивные звезды могут производить более тяжелые элементы, вплоть до железа. Таким образом в звезде начинает образовываться железное ядро, которое замедляет процессы термоядерного синтеза. В какой-то момент железа в звезде становится настолько много, что излучения от термоядерных реакций становится недостаточным, чтобы сдерживать гравитацию.

Рождение черной дыры

Когда баланс сил нарушается, то звезда начинает коллапсировать. За доли секунд звезда в буквальном смысле падает сама на себя. Весь этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии в виде взрыва сверхновой. Именно в таких процессах рождается большинство тяжелых химических элементов, которые окружают нас в повседневной жизни. Если звезда имела достаточно большую массу, то на месте взрыва остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра.

Горизонт событий и сингулярность

Если мы посмотрим на черную дыру, то сможем увидеть только ее границу, которая называется горизонтом событий. Все что находится за горизонтом событий должно развить скорость большую, чем скорость света, чтобы покинуть пределы черной дыры. Но поскольку любой физический объект не может превысить скорость света, то покинуть границы черной дыры невозможно.

Но если внешней частью черной дыры является горизонт событий, то что находится внутри? У науки нет однозначного ответа на этот вопрос, однако математика говорит нам о том, что в центре черной дыры находится сингулярность. Мы не очень понимаем с физической точки зрения что это такое, но математика описывает сингулярность, как точечную массу с нулевым объемом и без поверхности. Такую математическую интерпретацию сингулярности можно сравнить с делением на ноль.

Строение черной дыры в проекции

Черная дыра не является каким-то космическим пылесосом. Если заменить Солнце на черную дыру такой же массы, то ничего не изменится, за исключением того, что мы перестанем получать тепло от нашей звезды.

Испарение черной дыры

Черные дыры разделяются на черные дыры звездных масс и сверхмассивные черные дыры.

Черные дыры звездных масс представляют из себя конечный этап эволюции массивных звезд. Имея массу нескольких Солнц, такие черные дыры имеют размер большого города.

Сверхмассивные черные дыры являются центрами галактик. Самая большая известная сверхмассивная черная дыра имеет размер в 23 раза больший, чем орбита Плутона и массу равную 40 миллиардам масс Солнца.

Галактика Сомбреро в центре которой находится сверхмассивная черная дыра, окруженная горячим высокоэнергетичным веществом

Какой бы огромной и массивной ни была черная дыра, она рано или поздно испарится благодаря процессу под названием излучение Хокинга. Чтобы понять как это работает, нужно обратить внимание на механизмы, которые происходят в космическом вакууме.

Космический вакуум не является абсолютно пустым — в нем постоянно происходят процессы рождения и моментального взаимоуничтожения пар частица-античастица. Но когда этот процесс происходит на краю черной дыры, то одну из частиц может затянуть за горизонт событий. При этом вторая частица останется в космическом пространстве. Согласно закону сохранения энергии родившаяся частица как бы берет энергию "в долг" у черной дыры, поэтому черная дыра в таком процессе немного уменьшается, другими словами — испаряется.

Излучение Хокинга

Смерть черной дыры

Черные дыры большого размера испаряются очень медленно, однако, по мере уменьшения, скорость испарения возрастает. Также, чем быстрее испаряется черная дыра, тем больше тепла она производит. В последние секунды своей жизни черная дыра взрывается, испуская огромное количество тепла, сопоставимое с детонацией миллиардов ядерных бомб.

Например, черная дыра массой 1000 тонн испарится всего за 84 секунды. Некоторые черные дыры настолько огромны, что температура их излучения ниже фоновой температуры космоса, поэтому на данном этапе развития Вселенной они могут только расти. Такие черные дыры начнут испаряться только тогда, когда Вселенная достаточно расширится и, следовательно, охладится.

При этом, время испарения столь огромных черных дыр, как показывают расчеты, несопоставимо больше возраста Вселенной. Когда будут испаряться последние черные дыры, то, скорее всего, они будут практически единственными макроскопическими объектами на всех просторах темного космоса.

Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!

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.