Происхождение черной дыры


Происхождение черной дыры

Черные дыры являются одним из самых интересных объектов во Вселенной. Это небесные тела чрезвычайно сильной гравитации, из которых ничто не может вырваться — ни планета, ни луна, ни даже свет.

Все, что пересекает горизонт событий — границу, в пределах которой скорость убегания черной дыры больше скорости света — резко движется к неизвестной судьбе.

В последние годы физики обнаружили много неизвестных фактов о черных дырах. Некоторые открытия заложили основу для будущего, в то время как некоторые все еще поражают воображение исследователей. Вот 18 самых интригующих фактов и теорий черных дыр, которые вы должны знать.

1. Черная дыра была открыта Карлом Шварцшильдом в 1916 году


Происхождение черной дыры
Карл Шварцшильд | Изображение предоставлено: Викимедиа

Хотя объекты с интенсивными гравитационными полями (из которых свет не может уйти) рассматривались в 18 веке, именно Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности в 1916 году, характеризующее черную дыру.

В 1958 году Дэвид Финкельштейн опубликовал свою интерпретацию как область пространства, из которой ничто не может вырваться. Американский физик-теоретик Джон Уилер затем связал термин «черная дыра» с объектами с гравитационным коллапсом, предсказанным в начале 20-го века.

Он использовал термин «черная дыра» во время презентации, которую он дал в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА в 1967 году.

2. Их нельзя наблюдать непосредственно

Происхождение черной дыры
Первое фото Черной дыры

Первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87


Поскольку свет не может избежать массивного гравитационного притяжения черной дыры, вы не можете непосредственно наблюдать его. Тем не менее, вы можете увидеть, как его гравитация влияет на близлежащие небесные тела и газ.

Астрономы изучают звезды, чтобы увидеть, вращаются ли они вокруг черной дыры. Когда звезда и черная дыра находятся близко друг к другу, испускается излучение, которое обычно фиксируется космическими телескопами и спутниками.

В 2019 году ученые сняли первое в мире изображение черной дыры, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. Он был сфотографирован сетью 8 телескопов по всему миру. Эта сверхмассивная черная дыра имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца.

3. Типы черных дыр

Существует четыре типа черных дыр (три реальных и одна гипотетическая) —

Звездные черные дыры: это маленькие черные дыры с массами от 5 до нескольких десятков масс Солнца. Они образованы гравитационным коллапсом большой звезды.

Сверхмассивные черные дыры: самые большие черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Их происхождение остается открытой областью исследования.

Промежуточные черные дыры значительно более массивны, чем звездные черные дыры, но меньше, чем сверхмассивные черные дыры. Наиболее убедительные доказательства таких небесных тел получены от некоторых активных галактических ядер с низкой светимостью.


Изначальные черные дыры — это гипотетические черные дыры, которые могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Их массы могут быть намного меньше, чем звездные массы. Стивен Хокинг подробно изучил эти черные дыры и обнаружил, что они могут весить всего 100 микрограммов.

4. Черная дыра имеет три слоя

Черная дыра имеет три слоя: сингулярность, внешний и внутренний горизонт событий.

Центр черной дыры называется сингулярностью. Это область, где вся масса сжимается до почти нулевого объема. Таким образом, особенность имеет почти бесконечную плотность и порождает огромную гравитационную силу.

Внешний горизонт событий — это самый внешний слой, из которого материалы все еще могут вырваться из гравитации черной дыры. Гравитационное притяжение этого слоя не такое сильное, как в центральном или среднем слое.

Внутренний горизонт событий — это центральный слой. Это регион, откуда вещество не может убежать. Он толкает вещество к центру черной дыры, где гравитационное воздействие является наиболее сильным.

5. Черная дыра может быть размером до 0,1 миллиметра

Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца.

Его масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда. Это радиус, при котором скорость выхода равна скорости света.

Более того, ни одна черная дыра не является бесконечно маленькой. Минимальная масса выше или равна массе Планка, которая составляет около 22 микрограммов.

6. Черные дыры вращаются вокруг оси


Происхождение черной дыры

Когда звезда падает в очень маленькое пространство, она все еще сохраняет всю эту массу. Чтобы сохранить момент импульса, скорость вращения черной дыры увеличивается.

Поскольку черная дыра вращается, ее масса заставляет вращаться и близлежащее пространство-время. Этот регион называется эргосферой. Это регион (за пределами горизонта событий), где происходят различные интересные эффекты.

Чем меньше горизонт событий, тем быстрее он вращается. Однако существует ограничение скорости, с которой черная дыра может вращаться [не раскрывая свою сингулярность остальной Вселенной].

Самая тяжелая звездная черная дыра (GRS 1915+105) в Млечном Пути вращается 1150 раз в секунду. А в галактике NGC 1365 есть черная дыра, которая вращается со скоростью 84% скорости света. Он достиг предела космической скорости и не может вращаться быстрее.

7. Они производят звук

Происхождение черной дыры
Наблюдение Чандрой скопления галактик Персей выявило волнообразные особенности, которые кажутся звуковыми волнами | Предоставлено: НАСА.

В 2003 году астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, обнаружили звуковые волны от сверхмассивной черной дыры, расположенной в 250 миллионах световых лет от Земли.


Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Космические телескопы улавливают звуковые волны, которые уже прошли миллионы световых лет от их источника (черной дыры).

Но звук не может распространяться в вакууме, тогда как мы слышим черные дыры? На самом деле, космическое пространство не полный вакуум. Он состоит из нескольких атомов водорода (плюс другие газы) на кубический метр, которые служат средой для очень низкочастотных звуковых волн.

8. Черные дыры искажают пространство и время

Происхождение черной дыры
Симуляция, показывающая, как черная дыра искажает пространство-время

Из-за сильного гравитационного воздействия черная дыра может исказить пространство-время в ближнем соседстве. Согласно общей теории относительности, чем ближе вы к черной дыре, тем медленнее проходит время.


Горизонт событий — это граница вокруг черной дыры, где каждая материя, включая свет, теряет способность убегать. Гравитационная сила постоянна на горизонте событий.

Вращающаяся черная дыра порождает странный эффект, называемый перетаскиванием кадра. В этом случае пространство и время, близкие к черной дыре, фактически тянутся вокруг нее. Космос тянется так сильно, что невозможно двигаться в противоположном направлении. Это бесконечный регресс искажений, когда нет возможности двигаться вперед.

В целом, классические законы физики в том виде, в каком мы их знаем, перестают действовать внутри горизонта событий, на самом деле невозможно представить что-либо с бесконечной плотностью и нулевым объемом.

9. Черные дыры могут убить тебя ужасным способом

Происхождение черной дыры
Если бы вы упали в черную дыру, ваше тело растянулось бы в длинную, похожую на спагетти нить.

Предполагая, что это маленькая черная дыра, вы будете искажены огромной приливной силой тяжести. Приливная сила — это разница между силой тяжести на голове и ногах. Сила, действующая на вашу голову (если вы падаете головой вперед), будет намного сильнее, чем сила, действующая на ваши ноги.


Эта разница заставит вас почувствовать, что что-то разрывает вас на части, растягивает с головы до ног. Чем ближе ваша голова к черной дыре, тем быстрее она движется. Но нижняя половина вашего тела находится дальше и поэтому не движется к центру так быстро.

Когда приливная сила превышает молекулярные силы, которые связывают вашу плоть, ваше тело разорвется на две части, и эти две части разорвутся на две другие части, и так далее. Вы были бы вытеснены через ткань пространства-времени, как зубная паста через трубку.

10. Черные дыры не засасывают

Происхождение черной дыры
Все внутри горизонта событий рушится до одномерной сингулярности

Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает вещество со всего вокруг. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но имеют огромное гравитационное влияние на пространство в их окрестностях. Это гравитационное притяжение просто заставляет вещество вокруг них быстро ускоряться.

Даже если вы замените наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. У черной дыры будет то же гравитационное поле, что и у Солнца. Земля и другие планеты будут продолжать вращаться вокруг черной дыры, когда она вращается вокруг Солнца сегодня.


А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не превратится в черную дыру.

11. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик

Происхождение черной дыры
Рентгеновское изображение Стрельца А | Предоставлено: НАСА.

Исследователи полагают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, есть сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в космосе.

Стрелец А, черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, в 4 миллиона раз массивнее Солнца. На расстоянии всего 26 000 световых лет от Земли Стрелец А является одной из очень немногих черных дыр во Вселенной, где астрономы могут фактически наблюдать поток материи поблизости.

12. Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры

Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, плюс сверхмассивный Стрелец А в ее ядре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро ​​сверхмассивного монстра и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), это все равно что пытаться подсчитать количество песчинок на Земле.


13. Любой объект может быть превращен в черную дыру

Звезды не единственные вещи, которые в конечном итоге превращаются в черные дыры. Теоретически вы можете превратить все в черную дыру.

Например, если вы уменьшите размер Солнца до 6 километров в поперечнике, сохраняя при этом всю его массу, он станет черной дырой. Его плотность достигнет астрономических уровней, которые сделают гравитационную силу невероятно сильной.

Та же теория может быть применена к Земле и любому другому объекту, такому как мобильный телефон, автомобиль или даже ваше собственное тело. Однако мы не знаем такой техники, которая может уменьшить объем до бесконечно малой точки, сохраняя при этом 100 процентов массы объекта.

14. Со временем они испаряются

Происхождение черной дыры

В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают небольшое количество фотонных частиц, что заставляет их постепенно терять массу и исчезать со временем. Этот процесс испарения называется «излучение Хокинга».

Излучение черного тела происходит за счет квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Поскольку процесс невероятно медленный, только самые маленькие черные дыры успели бы полностью испариться в течение 13,8 миллиардов лет (эпоха Вселенной).


15. Сверхмассивные черные дыры определяют количество звезд в галактике

Существует сбалансированная связь между деятельностью черных дыр и количеством звезд. Слишком много звезд сделало бы галактику слишком горячей, чтобы жизнь могла эволюционировать, тогда как недостаточное количество звезд может помешать формированию жизни.

Новое исследование показывает, как сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в массивных галактиках. История звездообразования в близлежащих массивных галактиках зависит от массы центральной сверхмассивной черной дыры.

16. Они являются гигантским источником энергии

Черные дыры создают энергию более эффективно, чем маленькие звезды, такие как Солнце.

Поскольку гравитационное влияние очень сильно вблизи горизонта событий, вещество, ближайшее к краю горизонта событий, вращается намного быстрее, чем вещество на внешнем горизонте событий (внешний слой черной дыры).

Вещество движется так быстро, что нагревается до миллионов градусов по Цельсию, превращая массу в энергию в форме излучения (известного как излучение черного тела).

Черная дыра может преобразовать 10% массы в энергию. Чтобы поместить это в перспективу, ядерный синтез превращает только 0,7% массы в энергию.

Исследователи даже исследовали, возможно ли физически использовать этот вид энергии для строительства электростанций или космических кораблей.

17. Черные дыры могут создать новые вселенные

Это может показаться странным, но некоторые физики считают, что черные дыры могут открыть новые миры. Наша вселенная, возможно, родилась внутри черной дыры, и черные дыры в нашей вселенной могут порождать новые собственные вселенные.

Чтобы понять, как это работает, представьте себе нашу нынешнюю Вселенную: все, на что вы смотрите, стало возможным благодаря ряду событий, произошедших в прошлом, и определенным условиям, которые объединились для создания жизни.

Если вы внесете изменения в эти условия / события хотя бы на небольшое количество, все будет по-другому. Теоретически, сингулярность может изменить эти условия, создав новую, слегка измененную вселенную.

18. Информация может спастись от черной дыры

Что происходит с информацией о частицах, проходящих через черные дыры? Физики пытались ответить на этот вопрос десятилетиями.

Законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена окончательно. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, то, по сути, она была уничтожена. Это, кажется, нарушает правила квантовой механики.

По словам Стивена Хокинга, информация никогда не попадает в черную дыру.

«Информация хранится не во внутренней части черной дыры, как можно было ожидать, а на ее границе, горизонте событий» — Стивен Хокинг

Когда объект входит в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть разрушен внутри черной дыры, информация останется размытой на горизонте событий.

Информация может сбежать вместе с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. На самом деле, это может произойти в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, которые они когда-то считали.

Источник: new-science.ru

История открытия черных дыр

Впервые теоретическое существование черных дыр, еще задолго до их фактического открытия предположил некто Д. Мичел (английский священник из графства Йоркшир, на досуге увлекающийся астрономией) в далеком 1783 году. По его расчетам, если наше Солнце взять и сжать (говоря современным компьютерным языком – заархивировать) до радиуса в 3 км., образуется настолько большая (просто огромная) сила гравитации, что даже свет не сможет ее покинуть. Так и появилось понятие «черная дыра», хотя на самом деле она вовсе не черная, на наш взгляд более подходящим был бы термин «темная дыра», ведь имеет место именно отсутствие света.

Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.

Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.

черная дыра

Так выглядит черная дыра.

Как образуются черные дыры в космосе

Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.

черная дыра поглощает звезду

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Сколько черных дыр существует во Вселенной

Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего – 2,5 миллиона световых лет.

Теория черных дыр

Не смотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз превосходит массу нашего Солнца) и невероятной силы гравитацию увидеть черные дыры в телескоп было не просто, ведь они совсем не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» – поглощения другой звезды, в этот момент появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.

Свойства черных дыр

Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.

А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.

Что если человек попадет в черную дыру

Испарение черных дыр

Английский астроном С. Хокинг открыл интересный факт: черные дыры также, оказывается, выделяют испарение. Правда это касается только дыр сравнительно небольшой массы. Мощная гравитация около них рождает пары частиц и античастиц, один из пары втягивается дырой внутрь, а второй исторгается наружу. Таким образом, черная дыра излучает жесткие античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры было названо на честь ученого, открывшего его – «излучение Хокинга».

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.

Черная дыра

Самая маленькая черная дыра

Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.

Черные дыры – каннибалы

Да, есть такое явление, как мы писали выше, черные дыры являются своего рода «галактическими пылесосами», поглощающими все вокруг себя, и в том числе и… другие черные дыры. Недавно астрономами было обнаружено поедание черной дыры из одной галактике еще большой черной обжорой из другой галактики.

Интересные факты про черные дыры

  • Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
  • Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
  • Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
  • Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.

Источник: www.poznavayka.org

Интересные факты о черных дырах

  • Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
  • Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
  • Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
  • Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
  • Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
  • По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
  • Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.

Опасность черных дыр

Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.

Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в Млечном Пути может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Конечно, ничто во Вселенной не сравнится с устрашающими сверхмассивными черными дырами. Они превосходят солнечную массу в миллиарды раз. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые пока не знают всех тонкостей процесса формирования. Скорее всего, они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа.

Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.

Черные дыры в центрах галактик

Астрофизик Ольга Сильченко об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах:


Природа космических радиоисточников

Астрофизик Анатолий Засов о синхротронном излучении, черных дырах в ядрах далеких галактик и нейтральном газе:

Промежуточные черные дыры

Не так давно ученые нашли новый вид — черные дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды в скоплении сталкиваются, поддавшись цепной реакции. В итоге, падают в центр и формируют сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили промежуточный тип в рукаве спиральной галактики. Их очень сложно найти, потому что могут располагаться в непредсказуемых местах.

Микрочерные дыры

Физик Эдуард Боос о безопасности БАК, рождении микрочерной дыры и понятии мембраны:

Теория черных дыр

Черные дыры — чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.

Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.

Черные дыры – удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.

В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.

Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.

Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.

Аккреция

Астрофизик Сергей Попов о сверхмассивных черных дырах, образовании планет и аккреции вещества в ранней Вселенной:

Наиболее известные черные дыры

Часто задаваемые вопросы о черных дырах

— Что такое черная дыра?

- Что такое черная дыра?

Если более емко, то черная дыра — определенный участок в космосе, в котором сконцентрировано такое огромное количество массы, что ни одному объекту не удается избежать гравитационного влияния. Когда речь идет о гравитации, мы полагаемся на общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном. Чтобы разобраться в деталях изучаемого объекта, будем двигаться поэтапно.

Давайте представим, что вы находитесь на поверхности планеты и подбрасываете булыжник. Если вы не обладаете мощью Халка, то не сможете приложить достаточно силы. Тогда камень поднимется на определенную высоту, но под давлением гравитации рухнет обратно. Если же у вас есть скрытый потенциал зеленого силача, то вы способны придать объекту достаточное ускорение, благодаря которому он полностью покинет зону гравитационного воздействия. Это называется «скорость убегания».

Если разбить на формулу, то эта скорость зависит от планетарной массы. Чем она больше, тем мощнее гравитационный захват. Скорость вылета будет полагаться на то, где именно вы находитесь: чем ближе к центру, тем проще выбраться. Скорость вылета нашей планеты – 11.2 км/с, а вот Луны – 2.4 км/с.

Приближаемся к самому интересному. Допустим у вас есть объект с невероятной концентрацией массы, собранной в крошечном месте. В таком случае скорость убегания превышает скорость света. А мы знаем, что ничто не движется быстрее этого показателя, а значит, никто не сможет преодолеть такую силу и сбежать. Даже световому лучу это не под силу!

Еще в 18 веке Лаплас размышлял над чрезвычайной концентрацией массы. После общей теории относительности Карл Шварцшильд смог найти математическое решение для уравнения теории, чтобы описать подобный объект. Дальше свою лепту внесли Оппенгеймер, Волькофф и Снайдер (1930-е гг.). С того момента люди начали обсуждать эту тему всерьез. Стало ясно: когда у массивной звезды заканчивается топливо, она не способна противостоять силе гравитации и обязана рухнуть в черную дыру.

В теории Эйнштейна гравитация выступает проявлением кривизны в пространстве и времени. Дело в том, что обычные геометрические правила здесь не работают и массивные объекты искажают пространство-время. Черная дыра обладает причудливыми свойствами, поэтому ее искажение видно отчетливее всего. Например, у объекта есть «горизонт событий». Это поверхность сферы, отмечающая черту дыры. То есть, если вы перешагнете этот предел, то назад пути нет.

Если буквально, то это место, где скорость убегания приравнивается к световой. Вне этого места скорость убегания уступает скорости света. Но если ваша ракета способна разогнаться, то энергии хватит на побег.

Сам горизонт довольно странный с точки зрения геометрии. Если вы расположены далеко, то вам покажется, что смотрите на статическую поверхность. Но если подойти ближе, то приходит осознание, что она движется наружу со световой скоростью! Теперь понятно, почему легко войти, но так сложно сбежать. Да, это очень запутанно, ведь фактически горизонт стоит на месте, но одновременно и мчится со скоростью света. Это как в ситуации с Алисой, которой нужно было бежать максимально быстро, чтобы просто остаться на месте.

При попадании в горизонт, пространство и время переживают такое сильное искажение, что координаты начинают описывать роли радиального расстояния и времени переключения. То есть «r», отмечающая дистанцию от центра, становится временной, а за «пространственность» теперь отвечает «t». В итоге, вы не сможете перестать передвигаться с меньшим показателем r, как и не способны в обычном времени попасть в будущее. Вы придете к сингулярности, где r = 0. Можно выбрасывать ракеты, запускать двигатель на максимум, но вам не убежать.

Термин «черная дыра» придумал Джон Арчибальд Уилер. До этого их называли «остывшими звездами».

Черные дыры

Физик Эмиль Ахмедов об изучении черных дыр, Карле Шварцшильде и гигантских черных дырах:

— Насколько велика черная дыра?

- Насколько велика черная дыра?

Существует два способа вычислить, насколько что-то велико. Можно назвать массу или какую величину занимает участок. Если брать первый критерий, то нет конкретного предела массивности черной дыры. Можно использовать любое количество, если вы способны сжать ее до необходимой плотности.

Большая часть этих образований появилась после смерти массивных звезд, поэтому можно ожидать, что их вес должен быть равнозначен. Типичная масса для такой дыры должна быть в 10 раз больше солнечной – 1031 кг. Кроме того, в каждой галактике должна проживать центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса превосходит солнечную в миллион раз – 1036 кг.

Чем массивнее объект, тем больше массы охватывает. Радиус горизонта и масса прямо пропорциональны, то есть, если черная дыра весит в 10 раз больше другой, то и ее радиус в 10 раз крупнее. Радиус дыры с солнечной массивностью равняется 3 км, а если в миллион раз больше, то 3 миллиона км. Кажется, что это невероятно массивные вещи. Но не будем забывать, что для астрономии это стандартные понятия. Солнечный радиус достигает 700000 км, а у черной дыры у в 4 раза больше.

— Что случится, если вы упадете в черную дыру?

- Что случится, если вы упадете в черную дыру?

Допустим, что вам не повезло и ваш корабль неумолимо движется к сверхмассивной черной дыре. Нет смысла бороться. Вы просто выключили двигатели и идете навстречу неизбежному. Чего ожидать?

Начнем с невесомости. Вы пребываете в свободном падении, поэтому экипаж, корабль и все детали невесомы. Чем ближе подходите к центру отверстия, тем сильнее ощущаются приливные гравитационные силы. Например, ваши ноги ближе к центру, чем голова. Тогда вам начинает казаться, что вас растягивают. В итоге, вас просто разорвет на части.

Эти силы неприметны, пока вы не подойдете на удаленность в 600000 км от центра. Это уже после черты горизонта. Но мы говорим об огромном объекте. Если вы падаете в дыру с солнечной массой, то приливные силы охватили бы вас в 6000 км от центра и разорвали до того, как вы подошли к горизонту (поэтому мы отправляем вас в большую, чтобы смогли умереть уже внутри дыры, а не на подходе).

Что внутри? Не хочется разочаровывать, но ничего примечательного. Некоторые объекты могут искажаться по внешнему виду и больше ничего необычного. Даже после перехода горизонта вы будете видеть вещи вокруг себя, так как они движутся с вами.

Сколько на все это уйдет времени? Все завит от вашей удаленности. Например, вы начали с точки покоя, где сингулярность в 10 раз больше радиуса дыры. Для подхода к горизонту понадобится лишь 8 минут, а затем еще 7 секунд, чтобы войти в сингулярность. Если падаете в маленькую черную дыру, то все произойдет быстрее.

Как только перешагнете горизонт, можете стрелять ракетами, кричать и плакать. На все это у вас 7 секунд, пока не попадете в сингулярность. Но ничего уже не спасет. Поэтому просто насладитесь поездкой.

— Что увидит мой друг с безопасного расстояния?

- Что увидит мой друг с безопасного расстояния?

Допустим, вы обречены и падаете в дыру, а ваш друг/подруга наблюдает за этим издалека. Ну, он увидит все по-другому. Заметит, что ближе к горизонту вы замедлите свой ход. Но даже если человек просидит сотню лет, он так и не дождется, когда вы достигнете горизонта.

Попробуем объяснить. Черная дыра могла появиться из коллапсирующей звезды. Так как материал разрушается, то Кирилл (пусть будет вашим другом) видит его уменьшение, но никогда не заметит подхода к горизонту. Именно поэтому их называли «замороженными звездами», ведь кажется, будто они замерзают с определенным радиусом.

В чем же дело? Назовем это оптической иллюзией. Для формирования дыры не нужна бесконечность, как и для перехода через горизонт. По мере вашего подхода свету требуется больше времени, чтобы добраться к Кириллу. Если точнее, то излучение в реальном времени от вашего перехода зафиксируется у горизонта навечно. Вы уже давно перешагнули за линию, а Кирилл все еще наблюдает световой сигнал.

Или же можно подойти с другой стороны. Время тянется дольше возле горизонта. Например, вы обладаете супермощным кораблем. Вам удалось приблизиться к горизонту, побыть там пару минут и выбраться живым к Кириллу. Кого же вы увидите? Старика! Ведь для вас время текло намного медленнее.

Что тогда верно? Иллюзия или игра времени? Все зависит от используемой системы координат при описании черной дыры. Если полагаться на координаты Шварцшильда, то при пересечении горизонта временная координата (t) приравнивается к бесконечности. Но показатели этой системы предоставляют размытое представление того, что происходит возле самого объекта. У линии горизонта все координаты искажаются (сингулярность). Но вам можно использовать обе системы координат, поэтому два ответа имеют силу.

В реальности вы просто станете невидимкой, и Кирилл перестанет вас видеть еще до того, как пройдет много времени. Не стоит забывать о красном смещении. Вы излучаете наблюдаемый свет на определенной волне, но Кирилл увидит его на более длинной. Волны удлиняются по мере приближения к горизонту. Кроме того, не стоит забывать, что излучение происходит в определенных фотонах.

Например, в момент перехода вы отправите последний фотон. Он достигнет Кирилла в определенное конечное время (примерно час для сверхмассивной черной дыры).

— А не может ли черная дыра поглотить все вещество во Вселенной?

- А не может ли черная дыра поглотить все вещество во Вселенной?

Конечно, нет. Не забывайте про существование горизонта событий. Только из этой области вы не можете выбраться. Достаточно просто не приближаться к ней и чувствуйте себя спокойно. Более того, с безопасного расстояния вам этот объект будет казаться самым обычным.

Информационный парадокс Хокинга

Физик Эмиль Ахмедов о действии гравитации на электромагнитные волны, информационном парадоксе черных дыр и принципе предсказуемости в науке:

— Что будет, если наша звезда станет черной дырой?

- Что будет, если наша звезда станет черной дырой?

Не паникуйте, так как Солнцу никогда не трансформироваться в подобный объект, потому что ему просто не хватит массы. Тем более, что оно будет сохранять свой теперешний внешний вид еще 5 миллиардов лет. Затем перейдет к этапу красного гиганта, поглотив Меркурий, Венеру и хорошо поджарив нашу планету, а затем станет обычным белым карликом.

Но давайте предадимся фантазии. Итак, Солнце стало черной дырой. Начнем с того, что сразу нас укутает темнота и холод. Земля и прочие планеты не будут всасываться в дыру. Они продолжат вращаться вокруг нового объекта по обычным орбитам. Почему? Потому что горизонт будет достигать всего 3 км, и гравитация ничего не сможет с нами сделать.

— Есть доказательства существования черных дыр?

- Есть доказательства существования черных дыр?

Да. Естественно, мы не можем полагаться на видимое наблюдение, так как свету не удается вырваться. Но есть косвенные улики. Например, вы видите участок, в котором может быть черная дыра. Как это проверить? Начните с измерения массы. Если видно, что в одной области ее слишком много или она как бы незаметна, то вы на верном пути. Есть две точки поиска: галактический центр и двойные системы с рентгеновским излучением.

Таким образом, в 8 галактиках нашли массивные центральные объекты, чья масса ядер колеблется от миллиона до миллиарда солнечных. Массу вычисляют через наблюдение за скоростью вращения звезд и газа вокруг центра. Чем быстрее, тем больше должна быть масса, чтобы удержать их на орбите.

Эти массивные объекты считают черными дырами по двум причинам. Ну, больше просто нет вариантов. Нет ничего массивнее, темнее и компактнее. К тому же есть теория, что у всех активных и крупных галактиках в центре прячется такой монстр. Но все же это не 100% доказательства.

Но в пользу теории говорят две последних находки. У ближайшей активной галактики заметили систему «водяного мазера» (мощный источник микроволнового излучения) возле ядра. При помощи интерферометра ученые отобразили распределение газовых скоростей. То есть, они измерили скорость в пределах половины светового года в галактическом центре. Это помогло им понять, что внутри расположен массивный объект, чей радиус достигает половины светового года.

Вторая находка убеждает еще больше. Исследователи при помощи рентгена наткнулись на спектральную линию галактического ядра, указывающую на присутствие рядом атомов, скорость движения которых невероятно высокая (1/3 световой). Кроме того, излучение соответствовало красному смещению, что отвечает горизонту черной дыры.

Еще один класс можно найти в Млечном Пути. Это звездные черные дыры, формирующиеся после взрыва сверхновой. Если бы они существовали отдельно, то даже вблизи мы бы вряд ли ее заметили. Но нам везет, ведь большинство существуют в двойных системах. Их легко отыскать, так как черная дыра будет тянуть массу своего соседа и влиять на него гравитацией. «Вырванный» материал формирует аккреционный диск, в котором все нагревается, а значит, создает сильное излучение.

Предположим, вам удалось найти двойную систему. Как понять, что компактный объект представляет собою черную дыру? Снова обращаемся к массе. Для этого измерьте орбитальную скорость соседней звезды. Если масса невероятно огромная при таких малых размерах, то вариантов больше не остается.

— Как исчезают черные дыры?

Как исчезают черные дыры?

Это сложный механизм. Подобную тему Стивен Хокинг затронул еще в 1970-х годах. Он говорил, что черные дыры не совсем «черные». Там присутствуют квантово-механические эффекты, заставляющие ее создавать излучение. Постепенно дыра начинает сжиматься. Скорость излучения растет с уменьшением массы, поэтому дыра излучает все больше и ускоряет процесс сжатия, пока не растворится.

Однако, это лишь теоретическая схема, ведь никто не может точно сказать, что происходит на последнем этапе. Некоторые думают, что остается небольшой, но стабильный след. Современные теории не придумали пока ничего лучше. Но сам процесс невероятен и сложен. Приходится вычислять параметры в искривленном пространстве-времени, а сами результаты не поддаются проверке в привычных условиях.

— Почему они испаряются?

- Почему они испаряются?

Здесь можно воспользоваться Законом сохранения энергии, но только для коротких продолжительностей. Вселенная может создавать энергию и массу с нуля, но только они должны быстро исчезать. Одно из проявлений – вакуумные флуктуации. Пары частиц и античастиц вырастают из ниоткуда, существуют определенный недолгий срок и гибнут во взаимном уничтожении. При их появлении энергетический баланс нарушается, но все восстанавливается после исчезновения. Кажется фантастикой, но этот механизм подтвержден экспериментально.

Допустим, одна из вакуумных флуктуаций действует возле горизонта черной дыры. Возможно, одна из частиц падает внутрь, а вторая убегает. Сбежавшая забирает с собою часть энергии дыры и может попасть на глаза наблюдателю. Ему покажется, что темный объект просто выпустил частицу. Но процесс повторяется, и мы видим непрерывный поток излучения из черной дыры.

— А не может ли черная дыра испариться до того, как я туда попаду?

- А не может ли черная дыра испариться до того, как я туда попаду?

Мы уже говорили, что Кириллу кажется, будто вам нужна бесконечность, чтобы перешагнуть через линию горизонта. Кроме того, упоминалось, что черные дыры испаряются через конечный временной промежуток. То есть, когда вы достигнете горизонта, дыра исчезнет?

Нет. Когда мы описывали наблюдения Кирилла, мы не говорили о процессе испарения. Но, если этот процесс присутствует, то все меняется. Ваш друг увидит, как вы перелетите через горизонт именно в момент испарения. Почему?

Над Кириллом властвует оптическая иллюзия. Излучаемому свету в горизонте событий нужно много времени, чтобы добраться к другу. Если дыра длится вечно, то свет может идти бесконечно долго, и Кирилл не дождется перехода. Но, если дыра испарилась, то свет уже ничто не остановит, и он доберется к парню в момент взрыва излучения. Но вам уже все равно, ведь вы давно погибли в сингулярности.

— Что такое белая дыра?

- Что такое белая дыра?

В формулах общей теории относительности есть интересная особенность – симметричность во времени. Например, в любом уравнении вы можете представить, что время течет назад и получите другое, но все же правильно, решение. Если применить этот принцип к черным дырам, то рождается белая дыра.

Черная дыра – определенная область, из которой ничто не может выбраться. Но второй вариант, это белая дыра, в которую ничто не может упасть. Фактически, она все отталкивает. Хотя, с математической точки зрения, все выглядит гладко, но это не доказывает их существование в природе. Скорее всего, их нет, как и способа это выяснить.

— Что такое червоточина?- Что такое червоточина?

До этого момента мы говорили о классике черных дыр. Они не вращаются и лишены электрического заряда. А вот в противоположном варианте начинается самое интересное. Например, вы можете попасть внутрь, но избежать сингулярности. Более того, ее «внутренность» способна контактировать с белой дырой. То есть, вы попадете в своеобразный туннель, где черная дыра – вход, а белая – выход. Подобную комбинацию называют червоточиной.

Интересно, что белая дыра может находиться в любом месте, даже в другой Вселенной. Если уметь управлять такими червоточинами, то мы обеспечим быструю транспортировку в любую область пространства. А еще круче – возможность путешествий во времени.

Но не пакуйте рюкзак, пока не узнаете несколько моментов. К сожалению, велика вероятность, что таких формирований нет. Мы уже говорили, что белые дыры – вывод из математических формул, а не реальный и подтвержденный объект. Да и все наблюдаемые черные дыры создают падение материи и не формируют червоточин. И конечная остановка – сингулярность.

Но даже реальная червоточина лишена стабильности. Небольшое нарушение (например, ваше путешествие) может привести к коллапсу. Не верите? Тогда как насчет безопасности? Стабильная червоточина не обеспечит вам комфортного передвижения. Излучение внутри нее (реликтовое, звездное и т.д.) пребывает в синхронности на высоких частотах. Войти в такое место – это добровольное согласие поджариться.

Наблюдательные проявления черных дыр и кротовых нор

Астрофизик Александр Шацкий о фурье-образе, интерферометре «Радиоастрон» и объектах с нетривиальной топологией:

Источник: v-kosmose.com


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.