Как создаются черные дыры


Меня на моем телеграм канале довольно часто спрашивают о том, откуда берутся черные дыры и как они возникают. Я уже пару раз довольно кратко отвечал на эти вопросы, но все же решил написать небольшую статью.

Простой ответ — черные дыры зарождаются из умирающих звезд при условии, что масса звезды достаточно велика. Считается, что масса звезды должна быть как минимум порядка 20 масс нашего Солнца, чтобы в конце своего существования звезда могла превратиться в черную дыру. При этом масса получившейся черной дыры будет всего порядка 3-5 масс Солнца!

Сразу возникает вопрос, который также нередко задают: если звезда такая массивная? Почему она не "схлопывается" в черную дыру под влиянием собственной гравитации?

Ответ на этот вопрос довольно прост. Пока звезда горит — в ней происходит противоборство двух сил — гравитации и давления. Гравитация стремится сжать материю звезды, давление сопротивляется этому. В течении всей жизни звезды эти силы уравновешивают друг друга. Именно поэтому звезды принимают форму гигантских шаров — граница шара как раз соответствует той границе где давление и гравитация уравновешивают друг друга.


Источник: tribuneindia.com

Пока звезда горит в ней происходят термоядерные реакции в ходе которых одни химические элементы (например водород в гелий) превращаются в другие и выделяется энергия. Когда в звезде заканчивается "топливо" для термоядерной реакции (например водород) гравитация начинает брать верх над давлением и материал ядра звезды начинает спрессовываться все сильнее. Чем более массивным становится ядро, тем сильнее гравитационное притяжение, которое сжимает материю все сильнее.

В малых звездах когда топливо термоядерных реакций истощается гравитация все-таки компенсируется силами взаимного отталкивания элементарных частиц. Сжатие ядер таких звезд прекращается и они достигают равновесия. Такие звезды называют белыми карликами.

Однако когда очень массивная звезда истощает термоядерное топливо, то сила гравитации ядра такой звезды становится настолько велика, что превозмогает силы взаимного отталкивания элементарных частиц и происходит гравитационный коллапс — образуется черная дыра. При этом умирающая звезда "сбрасывает" свои внешние слои, словно змея старую кожу, в величественной вспышке сверхновой. После звезды остается лишь туманность с черной дырой в центре.


Коллапсирующее ядро оказывается сжатое до микроскопической точки с практически нулевым радиусом до состояния практически бесконечной плотности. Эта точка называется сингулярностью.

Источник: zen.yandex.ru

Что такое черная дыра?

Для начала необходимо обозначить – черные дыры изучены очень слабо и по большей части на теоретическом уровне. До 2019 человечество обладало исключительно теоретическими знаниями. Однако 10 апреля того же года, ученым удалось получить первую фотографию сверхмассивной черной дыры в рентгеновском спектре излучения в центре галактики Messier 87 (М87). 

Источник: wikimedia.org

Если очень коротко, то черная дыра – это наиболее тяжелый и одновременно самый маленький из всех возможных объектов во вселенной.

Черная дыра – это объект в космическом пространстве, в котором сжато огромное количество вещества. Чтобы примерно понимать масштаб сжатия – представьте звезду, которая в 10 — 100 — 1 000 000 раз больше солнца, и сжатая в сферу диаметром с Киевскую область. В результате неимоверной плотности, возникает сильнейшее гравитационное поле, из которого даже свет не может вырваться наружу.


Почему черные дыры так называются

На данный момент известно – черные дыры обладают невообразимой гравитацией, настолько сильной, что даже такие мельчайшие частицы как фотоны (видимые частицы света) не могут преодолеть силу ее притяжения, а они, на минуточку, перемещаются со скоростью света. Именно из-за того что свет не отражается (точнее не может преодолеть силу гравитации) от поверхности, внешне «черные дыры» остаются темными областями для любых существующих приборов наблюдения, при этом, вышесказанное вовсе не означает что поверхность черной дыры черная, просто извне ее невозможно увидеть, парадокс, причем далеко не единственный!

Область пространства вокруг черной дыры, за которую не может прорваться (вернуться) материя и любые частицы, в том числе кванты света, называется горизонтом событий черной дыры. Находясь под горизонтом событий, любой предмет, тело, частица будет двигаться, существовать только в пределах черной дыры и не сможет вырваться наружу, за пределы горизонта событий. Внешний наблюдатель, который находится на наружной стороне горизонта событий не может наблюдать то что происходит внутри.

С горизонтом событий не все так просто, благодаря квантовым эффектам, он излучает энергию (поток горячих частиц) во вселенную. Этот эффект известен как излучение Хокинга и именно вследствие него, теоретически, черная дыра может перестать существовать (она постепенно испаряется излучая энергию) и превратиться в погасшую звезду. Данное утверждение справедливо в пределах квантовой физики, где материя может перемещаться путем туннелирования, преодолевая преграды которые невозможно преодолеть в обычных условиях.


Доподлинно неизвестно что происходит с материей, когда гравитационные силы черной дыры притягивают ее и она проходит горизонт событий. С теоретической точки зрения, вероятно, тело/материя после прохождения горизонта событий попадает в так называемую сингулярность, а перед этим разрушается, вследствие гравитационных сил.

Гравитационная сингулярность – это точка в пространстве-времени, где привычные нам законы физики с большой долей вероятности не работают или работают по другому. Например, величины описывающие гравитацию в нормальных условиях, в условиях сингулярности могут быть бесконечными или неопределенными.

Почему на фотографии вокруг черной дыры присутствует свечение?

Об акреционных кольцах черной дыры

Свечение вокруг черной дыры это не фотошоп и не компьютерные спецэффекты. В силу законов притяжения, черные дыры притягивают к себе все что попадает в зону действия ее гравитации. Это может быть газ, пыль и другие материи. При этом вещество, попадая под притяжение черной дыры не падает на ее поверхность сразу, а начинает вращаться по окружной орбите. Во время вращения оно нагревается из-за колоссальной скорости и трения, и излучает рентгеновское излучение, радиацию. Видимое вращение светящейся материи называется аккреционным диском, именно оно и отображено на фотографии черной дыры в начале статьи.


Какие еще существуют способы обнаружения черных дыр

Телескопы, которые изучают черные дыры, смотрят на их окружающую среду, где материал находится очень близко к горизонту событий. Вещество нагревается до миллионов градусов и светится рентгеновскими лучами. Огромная гравитация черных дыр также искажает само пространство, поэтому можно увидеть влияние невидимого гравитационного притяжения на звезды и другие объекты.

Существует несколько типов черных дыр

В зависимости от происхождения черной дыры, ее местоположения в космосе и по большей степени ее массы, ученые классифицировали их на несколько подгрупп.

Черная дыра звездной массы

Является одним из возможных этапов «жизни» звезды. Черная дыра звездной массы является самой маленькой в космическом пространстве по классификации. После полного выгорания термоядерного топлива звезда остывает, снижается ее внутреннее давление и она начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Станет ли звезда в конечном итоге черной дырой зависит от ее массы и скорости вращения. Процесс сжатия может остановиться на определенном этапе, тогда звезда станет сверхплотной нейтронной звездой, а может наступить и стремительный гравитационный коллапс, вследствие чего она станет черной дырой.

Чтобы звезда превратилась в черную дыру, теоретически ее масса должна превышать в 3-4 раза массу нашего солнца. Однако, это лишь теория, так как необходимо знать как ведет себя вещество при чрезвычайно сильных плотностях, а это недоступно в условиях экспериментального изучения.

 


Теоретически, черная дыра звездной массы может вырасти в размерах из-за поглощения материи, которая находится в зоне ее гравитационной силы, это относится к черным дырам всех типов.

Черная дыра средней массы

Данный тип значительно массивнее чем черная дыра звездной массы (от 10 до нескольких десятков масс солнца), но значительно меньше чем сверхмассивные черные дыры (от миллиона до сотен миллиардов масс солнца). Считается, что черных дыр средней массы относительно немного, если сравнивать их с меньшими или большими «собратьями». Природа происхождения черных дыр средней массы неизвестна человечеству, по одной из теорий это черные дыры звездной массы увеличившиеся до настоящих размеров за счет поглощения материи, которая входила в ее зону притяжения.

Сверхмассивные (ультрамассивные) черные дыры

Это огромные объекты даже по космическим меркам. Сверхмассивные черные дыры располагаются в центре большинства галактик, они как бы формируют ядро галактики. Сложно представить размер ультрамассивной черной дыры, но он превышает размер нашего солнца в миллионы и миллиарды раз!


В центре нашей галактики Млечный Путь также обнаружена сверхмассивная черная дыра, и называется она Стрелец A*. Масса этой ЧД по разным оценкам превышает массу солнца от 3 до 6,4 млрд раз.

Квантовые черные дыры

Существует гипотеза, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические черные дыры (квантовые черные дыры). На большом адронном коллайдере проводился эксперимент, целью которого было проверить теорию формирования квантовых черных дыр. Однако эксперимент показал, что энергии, которую выдает ускоритель недостаточно для синтеза черных дыр. В теории такие черные дыры живут мгновения и затем исчезают выбрасывая в окружающее пространство большое количество энергии.

Квантовая черная дыра – это предположение, основанное на теории квантовой физики, однако экспериментальных подтверждений ее существования пока получить не удалось.

Откуда они вообще берутся?

Мы уже писали о том как образуются черные дыры (1 из вариантов) – это возможная, следующая фаза эволюции звезды. Это было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, которая говорит о том что когда умирает массивная звезда, от нее остается относительно небольшое и плотное ядро. Как показывает уравнение – если масса ядра более чем в 3 раза превышает массу солнца, то сила гравитации подавляет все остальные силы и создает черную дыру, вследствие критического сжатия материи.


Более того, во время коллапса происходит очень странная вещь, о чем описано на официальном сайте НАСА… По теории, звезда должна разрушиться вследствие сверхмощного сжатия, однако, так как ее поверхность приближается к аномальной зоне, именуемой «горизонтом событий» время замедляется, относительно времени внешнего наблюдателя, а когда звезда достигает горизонта событий, то оно вовсе останавливается и звезда уже не может разрушиться, получается замороженный коллапсирующий объект.

Кроме того, есть вероятность существования так называемых первичных черных дыр, которые были образованы во время зарождения вселенной. Гипотетически, если допустить что на начальной стадии развития вселенной были отклонения в неоднородности гравитационного поля и плотности материи, то путем гравитационного коллапса могли образовываться черные дыры. До сих пор такие объекты не были обнаружены, хотя и представляют ценность для изучения эффекта «испарения черных дыр» Стивена Хокинга.

В результате звездных столкновений, когда сталкиваются нейтронные звезды и черные дыры, возникает еще одна черная дыра. Такие выводы были сделаны учеными после анализа информации (мощные гамма-всплески), которая была зафиксирована телескопами Свифт и Хаббл.

Судя по количеству звезд, достаточно больших для образования черных дыр, ученые считают, что в одном только Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов, до миллиардов черных дыр.

Еще одним из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые затем разрушаются, образуя черные дыры средней массы. Звездные скопления затем опускаются в центр галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.

Какой они бывают формы


Если у черной дыры есть аккреционный диск, это означает что она вращается, с точки зрения других космических объектов ее форма должна быть – сфероидальной (сплющенная сфера). Если черная дыра не вращается или вращается, но очень медленно, что также может быть, то форма должна быть сферическая – шар.

Однако, человечество может только строить гипотезы о том что происходит за горизонтом событий и в центре черной дыры, где привычные законы физики и общая теория относительности, вероятно, просто не работают.

Могут ли две черные дыры столкнуться

Теоретически это возможно, о чем сказано на официальном сайте НАСА. При столкновении 2-х черных дыр происходит их слияние в единый объект, практически с теми же свойствами, получается сверхмассивная черная дыра.

При этом нужно понимать, что черная дыра это не космический пылесос, который всасывает в себя все что не попадя. Она, как и любой другой объект имеет собственную гравитацию, которая притягивает объекты в зоне досягаемости своей силы тяготения. Чтобы 2 черные дыры слились в одно целое, необходимо чтобы хотя бы 1 из них попала в зону действия гравитации другой. Вероятность такого события увеличивается в системах с двумя массивными звездами, которые переходят в следующую фазу. А также вблизи центра галактики, где, как правило, располагаются сверхмассивные черные дыры и имеется большое скопление звезд.


Теоретически, такое событие как слияние черных дыр во вселенной происходит периодически и в масштабах вселенной это мгновения, а по нашему, человеческому времени на это может уйти не одно десятилетие.

Может ли одна черная дыра поглотить целую галактику?

Нет. Даже самая большая черная дыра не в состоянии поглотить целую галактику. Гравитационный охват сверхмассивных черных дыр, находящихся в центре галактик велик, но не настолько, чтобы «поглотить» всю галактику.

Сколько уже открыто черных дыр

Состоянием на 2020 год, учеными открыто более 1 000 космических объектов с характерными свойствами черных дыр, от ЧД звездной массы до сверхмассивных черных дыр.

Потенциально черных дыр триллионы. Уже известно что во вселенной существует минимум несколько десятков триллионов галактик, а в каждой наберется еще н-ное количество ЧД. Важно, что их изучение дает толчок в науке и способствует новым открытиям.

Может ли наше солнце превратиться в черную дыру?

Солнце никогда не превратится в черную дыру, потому что оно недостаточно массивно, чтобы взорваться. Вместо этого, наша звезда станет плотным звездным остатком, называемым белым карликом.

Но если представить, что Солнце внезапно стало черной дырой с той же массой, что и сегодня, это не повлияло бы на орбиты планет, поскольку его гравитационное влияние на Солнечную систему было бы таким же. Таким образом, Земля будет продолжать вращаться вокруг Солнца, не всасываясь в нее — хотя недостаток солнечного света будет иметь катастрофические последствия для жизни на Земле.

Могут ли черные дыры стать меньше или исчезнуть?

Да. Стивен Хокинг предположил, что в то время как черные дыры увеличиваются за счет притягивания и поглощения материи, они также медленно уменьшаются, потому что постоянно теряют крошечное количество энергии, называемое «излучением Хокинга».

Радиация Хокинга возникает потому что пустое пространство, или вакуум, на самом деле не пустое. На самом деле, это море частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Хокинг высказал гипотезу, что если рядом с черной дырой создается пара таких частиц, то есть вероятность того что одна из них будет втянута в черную дыру до того, как она будет уничтожена. В этом случае вторая частица вырвется в космос. Частицы при этом поступают из черной дыры, благодаря этому процессу она медленно теряет энергию и массу.

В теории, черные дыры испаряются через излучение Хокинга. Но для того, чтобы большинство черных дыр, о которых мы знаем, значительно испарились, потребуется гораздо больше времени, чем весь возраст Вселенной. Черные дыры, даже те, которые в несколько раз превышают массу Солнца, будут существовать в течение очень, очень долгого времени!

Для чего их изучают?

Изучение черных дыр потенциально может дать ответы о том как образовалась вселенная. А также прольет свет на то, что в данный момент остается загадкой, например – несостыковка в общей теории относительности Эйнштейна и квантовой физики.

Открытия связанными с черными дырами могут дать грандиозный толчок в развитии квантовой физики, что потенциально повлечет за собой каскад различных открытий и изобретений.

Ну а вообще, человечество достаточно жадно относится к новым знаниям, это было замечено еще во времена Архимеда и если во вселенной есть что-то, то мы обязательно разберемся в его природе и причинно-следственных связях.

Что с вами произойдет внутри черной дыры

Что будет если попасть в черную дыру – это один из самых интересных вопросов, на который можно ответить полагаясь на теоретическую составляющую, ибо на сегодня у человечества отсутствует возможность провести практический эксперимент.

Первое что приходит в голову, исходя из всего вышесказанного – при попадании в черную дыру тело будет разорвано сверхгравитацией черной дыры, однако, реальность может быть несколько иной…

В момент входа в горизонт событий черной дыры реальность раскалывается надвое:

  1. Вы будете немедленно расщеплены на атомы и не успеете ничего понять, информация об этом сохраниться для внешнего наблюдателя.
  2. Вы пройдете горизонт событий целым и невредимым.

В черной дыре, привычные нам законы физики не работают, или работают, но по другому. Гравитация, а в черной дыре она подавляет все другие силы, искажает само пространство и время. 

По мере погружения в черную дыру, пространство будет становиться все более искривленным, а в центре оно становится бесконечно искривленным. Пространство и время, в том виде в котором мы к ним привыкли просто перестают существовать.

Все что может произойти далее является тайной, которая, скорее всего никогда не будет разгадана, ибо все что проникает за горизонт событий черной дыры остается там навсегда. Можно лишь гадать что там может произойти – квантовый переход в другую часть вселенной, в параллельную вселенную или полное небытие. Ученые называют область черной дыры гравитационной сингулярностью, но что именно там может ожидать – никто не знает.

Сперва давайте рассмотрим как выглядит ваш (теоретический) переход в черную дыру для внешнего наблюдателя.

По мере приближения к горизонту событий, человек, наблюдающий за происходящим будет видеть как вы растягиваетесь и деформируетесь, будто на вас смотрят через большое увеличительное стекло. Более того, по мере приближения к горизонту событий, скорость вашего передвижения, для внешнего наблюдателя будет замедляться, словно в замедленной съемке.

В момент, когда вы достигнете горизонта событий странностей только прибавиться. Внешний наблюдатель увидит как вы застыли, растянулись по поверхности горизонта событий, будто кто-то нажал на паузу. Затем другие частицы и радиация будут стирать вас с горизонта событий – малоприятная картина, не так ли?!

Для наблюдателя, вы будете медленно стираться из-за растяжения пространства, остановки времени и излучения частиц Хокинга (эффект испарения элементарных частиц с поверхности черной дыры). В реальности, которая остается снаружи черной дыры, перед полным исчезновением вы превращаетесь в пепел. Но есть и другая реальность, которую сможете наблюдать только вы, и она не менее странная…

Итак, вы находитесь в свободном падении, не испытываете никаких перегрузок, вас не обжигает радиация и конечно же вы не растягиваетесь. Для вас, в отличие от внешнего наблюдателя, горизонт событий перестал быть неизвестностью.

Гравитация одинаково влияет на все ваше тело, а значит вы не будете растянуты или раздавлены ее силой. Теоретически, в достаточно большой черной дыре, вы могли бы нормально прожить остаток своей жизни. При этом, будете осознавать, что вас затягивает разрыв в пространство-временном континууме, который несет вас против вашей воли и вы не в силах вернуться назад.

Черные дыры деформируют пространство и время до такой степени, что внутри горизонта черной дыры пространство и время фактически меняются ролями. В некотором смысле время притягивает вас к сингулярности. Вы не можете повернуться и уйти от черной дыры, так же как вы не можете вернуться в прошлое. Думаете на этом странности заканчиваются? – Ничего подобного!

Законы физики требуют, чтобы вы были и вне черной дыры, в куче пепла (для внешнего наблюдателя вы превратились в пепел, но это уже не ваша проблема), и внутри черной дыры живым и здоровым. И последнее, но не менее важное: третий закон физики гласит, что информацию нельзя клонировать. Вы можете быть в двух местах (пространствах), но в каждом из них может быть только одна ваша копия, но они обе ни при каких обстоятельствах не могут быть в одном месте (пространстве).

Великий секрет, который нам открывают черные дыры заключается в том, что есть минимум 2 реальности. В первой реальности существует внешний наблюдатель, для которого вы превращены в пепел. Во второй реальности вы продолжаете существовать, здоровый и невредимый. Конец истории.

Предполагаем, что после прочтения этой статьи вопросов меньше не стало, но надеемся, что на некоторые вы смогли получить исчерпывающие ответы.

Источник: vesti.ua

Говоря о черных дырах простым языком

Чтобы представить, как выглядит черная дыра, достаточно увидеть хвост уходящего в туннель поезда. Сигнальные фонари на последнем вагоне по мере углубления поезда в туннель, будут уменьшаться в размерах, пока совсем не исчезнут из поля зрения. Другими словами — это объекты, где в силу чудовищного притяжения исчезает даже свет. Элементарные частицы, электроны, протоны и фотоны не в состоянии преодолеть невидимый барьер, проваливаются в черную бездну небытия, поэтому такая дыра в пространстве и получила название — черная. Нет внутри нее ни малейшего светлого участка, сплошная чернота и бесконечность. Что находится по ту стороны черной дыры – неизвестно.

Этот космический пылесос обладает колоссальной силой притяжения и в состоянии поглотить целую галактику со всеми скоплениями и сверхскоплениями звезд, с туманностями и с темной материей в придачу. Каким образом это возможно? Остается только догадываться. Известные нам законы физики в данном случае трещат по швам и не дают объяснения происходящим процессам. Суть парадокса заключается в том, что в данном участке Вселенной гравитационное взаимодействие тел определяется их массой. На процесс поглощения одним объектом другого не оказывают влияния их качественный и количественный состав. Частицы, достигнув критического количества на определенном участке, входят в другой уровень взаимодействия, где гравитационные силы становятся силами притяжения. Тело, объект, субстанция или материя под воздействием гравитации начинает сжиматься, достигая колоссальной плотности.

Примерно такие процессы происходят при образовании нейтронной звезды, где звездная материя под воздействием внутренней гравитации сжимается в объеме. Свободные электроны соединяются с протонами, образуя электрически нейтральные частицы — нейтроны. Плотность этой субстанции огромна. Частица материи размером с кусок рафинада имеет вес в миллиарды тонн. Здесь уместным будет вспомнить общую теорию относительности, где пространство и время — величины непрерывные. Следовательно, процесс сжатия не может быть остановлен на полпути и поэтому не имеет предела.

Потенциально черная дыра выглядит как нора, в которой возможно существует переход из одного участка пространства в другой. При этом свойства самого пространства и времени меняются, закручиваясь в пространственно-временную воронку. Достигая дна этой воронки, любая материя распадается на кванты. Что находится по ту стороны черной дыры, этой гигантской норы? Возможно, там существует другое иное пространство, где действуют другие законы и время течет в обратном направлении.

В разрезе теории относительности теория черной дыры выглядит следующим образом. Точка пространства, где гравитационные силы сжали любую материю до микроскопических размеров, обладает колоссальной силой притяжения, величина которой возрастает до бесконечности. Появляется складка времени, а пространство искривляется, замыкаясь в одной точке. Поглощенные черной дырой объекты не в состоянии самостоятельно противостоять силе втягивания этого чудовищного пылесоса. Даже скорость света, которой обладают кванты, не позволяет элементарным частицам преодолеть силу притяжения. Любое тело, попавшее в такую точку, перестает быть материальным объектом, сливаясь с пространственно-временным пузырем.

Черные дыры с точки зрения науки

Если задаться вопросом, как образуются черные дыры? Однозначного ответа не будет. Во Вселенной достаточно много парадоксов и противоречий, которые невозможно объяснить с точки зрения науки. Теория относительности Эйнштейна позволяет только теоретически объяснить природу подобных объектов, однако квантовая механика и физика в данном случае молчат.

Пытаясь объяснить законами физики происходящие процессы, картина будет выглядеть следующим образом. Объект, образуется в результате колоссального гравитационного сжатия массивного или сверхмассивного космического тела. Этот процесс носит научное название — гравитационный коллапс. Термин «черная дыра» впервые прозвучал в научной среде в 1968 году, когда американский астроном и физик Джон Уиллер пытался объяснить состояние звездного коллапса. По его теории, на месте массивной звезды подвергнувшейся гравитационному коллапсу возникает пространственный и временной провал, в котором действует постоянно растущее сжатие. Все, из чего состояла звезда, уходит внутрь себя.

Такое объяснение позволяет сделать вывод, что природа черных дыр никоим образом не связана с процессами, происходящими во Вселенной. Все, что происходит внутри этого объекта, никак не отражается на окружающем пространстве при одном «НО». Сила гравитации черной дыры настолько сильна, что искривляет пространство, заставляя вращаться галактики вокруг черных дыр. Соответственно становится понятна причина, почему галактики принимают форму спиралей. Сколько понадобится времени на то, чтобы огромная галактика Млечный путь исчезла в бездне сверхмассивной черной дыры, неизвестно. Любопытен факт, что черные дыры могут возникать в любой точке космического пространства, там, где для этого созданы идеальные условия. Такая складка времени и пространства нивелирует те огромные скорости, с которыми вращаются звезды и перемещаются в пространстве галактики. Время в черной дыре течет в другом измерении. Внутри этой области никакие законы гравитации не поддаются интерпретации с точки зрения физики. Такое состояние называется сингулярностью черной дыры.

Черные дыры не проявляют никаких внешних идентификационных признаков, об их существовании можно судить по поведению других космических объектов, на которые воздействуют гравитационные поля. Вся картина борьбы не на жизнь, а на смерть происходит на границе черной дыры, которая прикрыта мембраной. Эта мнимая поверхность воронки называется «горизонтом событий». Все, что мы видим до этой границы, осязаемо и материально.

Сценарии образования черных дыр

Развивая теорию Джона Уиллера, можно сделать вывод, что тайна черных дыр скорее не в процессе ее формирования. Образование черной дыры возникает в результате коллапса нейтронной звезды. Причем масса такого объекта должна превосходить массу Солнца в три и более раз. Нейтронная звезда сжимается до тех пор, пока ее собственный свет уже не в состоянии вырваться из тесных объятий силы притяжения. Существует граничный предел в размере, до которого может сжиматься звезда, давая рождение черной дыре. Этот радиус называется гравитационным радиусом. Массивные звезды на финальной стадии своего развития должны иметь гравитационный радиус в несколько километров.

Сегодня ученые получили косвенные доказательства присутствия черных дыр в десятке рентгеновских двойных звездах. У рентгеновских звезд, пульсара или барстера нет твердой поверхности. К тому же их масса больше массы трех Солнц. Нынешнее состояние космического пространства в созвездии Лебедя – рентгеновская звезда Лебедь Х-1, позволяет проследить процесс образования этих любопытных объектов.

Исходя из исследований и теоретических предположений, сегодня в науке существует четыре сценария образования черных звезд:

  • гравитационный коллапс массивной звезды на финальном этапе ее эволюции;
  • коллапс центральной области галактики;
  • формирование черных дыр в процессе Большого взрыва;
  • образование квантовых черных дыр.

Первый сценарий является самым реалистичным, однако то количество черных звезд, с которым мы знакомы на сегодняшний день, превышает количество известных нейтронных звезд. Да и возраст Вселенной не настолько большой, чтобы такое количество массивных звезд смогло пройти полный процесс эволюции.

Второй сценарий имеет право на жизнь, и тому существует яркий пример – сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, приютившаяся в центре нашей галактики. Масса этого объекта 3,7 массы Солнца. Механизм этого сценария схож со сценарием гравитационного коллапса с той лишь разницей, что коллапсу подвергается не звезда, а межзвездный газ. Под воздействием гравитационных сил происходит сжатие газа до критической массы и плотности. В критический момент материя распадается на кванты, образуя черную дыру. Однако эта теория вызывает сомнения, так как недавно астрономы Колумбийского университета выявили спутники черной дыры Стрелец А*. Ими оказалось множество мелких черный дыр, которые вероятно образовались другим способом.

Третий сценарий больше теоретический и связан с существованием теории Большого взрыва. В момент образования Вселенной часть материи и гравитационные поля претерпели флуктуацию. Другими словами, процессы пошли другим путем, не связанным с известными процессами квантовой механики и ядерной физики.

Последний сценарий ориентирован на физику ядерного взрыва. В сгустках материи в процессе ядерных реакций под влиянием гравитационных сил происходит взрыв, на месте которого образуется черная дыра. Материя взрывается внутрь себя, поглощая все частицы.

Существование и эволюция черных дыр

Имея приблизительное представление о природе столь странных космических объектов, интересно другое. Какие истинные размеры черных дыр, как быстро они растут? Размеры черных дыр определяются их гравитационным радиусом. Для черных дыр радиус черной дыры определяется ее массой и называется радиусом Шварцшильда. К примеру, если объект имеет массу равную массу нашей планеты, то радиус Шварцшильда в таком случае составляет 9 мм. Наше главное светило имеет радиус в 3 км. Средняя плотность черной дыры, образовавшейся на месте звезды массой 10⁸ масс Солнца, будет близкой к плотности воды. Радиус такого образования составит 300 млн. километров.

Вероятно, что такие гигантские черные дыры располагаются в центре галактик. На сегодняшний день известны 50 галактик, в центре которых находятся огромные временные и пространственные колодцы. Масса таких гигантов составляет миллиарды масса Солнца. Можно только представить, какой колоссальной и чудовищной силой притяжения обладает такая дыра.

Что касается мелких дырочек, то это мини-объекты, радиус которых достигает ничтожных величин, всего 10¯¹² см. Масса такой крошки составляет 10¹⁴гр. Подобные образования возникли в момент Большого взрыва, однако со временем увеличились в размерах и сегодня красуются в космическом пространстве в качестве монстров. Условия, при которых шло образование мелких черных дыр, ученые сегодня пытаются воссоздать в земных условиях. Для этих целей проводятся эксперименты в электронных коллайдерах, посредством которых элементарные частицы разгоняются до скорости света. Первые опыты позволили получить в лабораторных условиях кварк-глюонную плазму — материю, которая существовала на заре образования Вселенной. Подобные эксперименты позволяют надеяться, что черная дыра на Земле – дело времени. Другое дело, не обернется ли подобное достижение человеческой науки катастрофой для нас и для нашей планеты. Создав искусственно черную дыру, мы можем открыть ящик Пандоры.

Последние наблюдения за другими галактиками, позволили ученым открыть черные дыры, размеры которых превышают все мыслимые ожидания и предположения. Эволюция, которая происходит с подобными объектами, позволяет лучше понять, от чего растет масса черных дыр, каков ее реальный предел. Ученые пришли к выводу, что все известные черные дыры выросли до своих реальных размеров в течение 13-14 млрд. лет. Разница в размерах объясняется плотностью окружающего пространства. Если у черной дыры достаточно пищи в пределах досягаемости сил притяжения, она растет словно на дрожжах, достигая массы в сотни и тысячи солнечных масс. Отсюда и гигантские размеры таких объектов, расположенных в центре галактик. Массивное скопление звезд, огромные массы межзвездного газа являются обильной пищей для роста. При слиянии галактик, черные дыры могут сливаться воедино, образуя новый сверхмассивный объект.

Судя по анализу эволюционных процессов, принято выделять два класса черных дыр:

  • объекты с массой в 10 раз больше солнечной массы;
  • массивные объекты, масса которых составляет сотни тысяч, миллиарды солнечных масс.

Существуют черные дыры со средней промежуточной массой равной 100-10 тыс. масс Солнца, однако их природа до сих пор остается неизвестной. На одну галактику приходится примерно один такой объект. Изучение рентгеновских звезд позволило найти на расстоянии 12 миллионов световых лет в галактике М82 сразу две средние по массе черные дыры. Масса одного объекта варьируется в диапазоне 200-800 масс Солнца. Другой объект гораздо больше и имеет массу 10-40 тыс. солнечных масс. Судьба таких объектов интересна. Располагаются они вблизи звездных скоплений, постепенно притягиваясь к сверхмассивной черной дыре, расположенной в центральной части галактики.

Наша планета и черные дыры

Несмотря на поиски разгадки о природе черных дыр, научный мир беспокоит место и роль черной дыры в судьбе галактики Млечный путь и, в частности, в судьбе планеты Земля. Складка времени и пространства, которая существует в центре Млечного пути, постепенно поглощает все существующие вокруг объекты. Уже поглощены в черной дыре миллионы звезд и триллионы тонн межзвездного газа. Со временем дойдет очередь и до рукавов Лебедя и Стрельца, в которых находится Солнечная система, пройдя расстояние в 27 тыс. световых лет.

Другая ближайшая сверхмассивная черная дыра находится в центральной части галактики Андромеда. Это около 2,5 млн. световых лет от нас. Вероятно, до того времени, как наш объект Стрелец А* поглотит собственную галактику, следует ожидать слияния двух соседствующих галактик. Соответственно произойдет и слияние двух сверхмассивных черных дыр в одно целое, страшное и чудовищное по размерам.

Совершенно другое дело — черные дыры небольших размеров. Чтобы поглотить планету Земля достаточно черной дыры радиусом в пару сантиметров. Проблема заключается в том, что по своей природе черная дыра совершенно безликий объект. Из ее чрева не исходит никакое излучение, ни радиация, поэтому заметить столь загадочный объект достаточно трудно. Только с близкого расстояния можно обнаружить искривление фонового света, которое свидетельствует о том, что в этом районе Вселенной имеется дырка в пространстве.

На сегодняшний день ученые установили, что ближайшая к Земле черная дыра — это объект V616 Monocerotis. Чудовище расположено в 3000 световых лет от нашей системы. По своим размерам это крупное образование, его масса составляет 9-13 солнечных масс. Другим близким объектом, несущим угрозу нашему миру, является черная дыра Gygnus Х-1. С этим монстром нас разделяет расстояние в 6000 световых лет. Выявленные по соседству с нами черные дыры, являются частью бинарной системы, т.е. существуют в тесном соседстве со звездой, питающей ненасытный объект.

Заключение

Существование в космосе таких загадочных и таинственных объектов, какими являются черные дыры, безусловно, заставляет нас находиться на стороже. Однако все, что происходит с черными дырами, случается достаточно редко, если брать во внимание возраст Вселенной и огромные расстояния. В течение 4,5 млрд. лет Солнечная система пребывает в состоянии покоя, существуя по известным нам законам. За это время ничего подобного, ни искажения пространства, ни складки времени вблизи Солнечной системы не появилось. Вероятно, для этого нет подходящих условий. Та часть Млечного пути, в которой пребывает система звезды Солнце, является спокойным и стабильным участком космоса.

Ученые допускают мысль, что появление черных дыр не случайно. Такие объекты выполняют во Вселенной роль санитаров, уничтожающих излишек космических тел. Что же касается судьбы самих монстров, то их эволюция еще до конца не изучена. Существует версия, что черные дыры не вечны и на определенном этапе могут прекратить свое существование. Уже ни для кого не секрет, что такие объекты представляют собой мощнейшие источники энергии. Какая это энергия и в чем она измеряется – это другое дело.

Стараниями Стивена Хокинга науке была предъявлена теория о то, что черная дыра все-таки излучает энергию, теряя свою массу. В своих предположениях ученый руководствовался теорией относительности, где все процессы взаимосвязаны друг с другом. Ничего просто так не исчезает, не появившись в другом месте. Любая материя может трансформироваться в другую субстанцию, при этом один вид энергии переходит на другой энергетический уровень. Так, может быть, обстоит дело и с черными дырами, которые являются переходным порталом, из одного состояния в другое.

Источник: MilitaryArms.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 создаются 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 создаются 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 создаются 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


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.