Черная дра


ЧЕРНАЯ ДЫРА
область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах. Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х.

айдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.
Образование черных дыр. Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет «битву с гравитацией»: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением «вырожденного» вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. У сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферу с окружностью по экватору в 2p раз большей «гравитационного радиуса» черной дыры RG = 2GM/c2, где c — скорость света, а G — постоянная тяготения. Черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.


Если астроном будет наблюдать звезду в момент ее превращения в черную дыру, то сначала он увидит, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока не потухнет совсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силой тяжести свет теряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном никогда не дождется этого момента и тем более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом событий. Но теоретически этот процесс исследовать можно. Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время звезда сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, общий математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень маленьких пространственных масштабов, в чем мы пока не уверены.
микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации пока не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы. Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населении Галактики указывают, что среди 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черных дыр, образовавшихся при коллапсе самых массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей. Как уже отмечалось, в нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающая солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого ок. 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с массой более 1015 г могли сохраниться до наших дней. Все расчеты коллапса звезд делаются в предположении слабого отклонения от сферической симметрии и показывают, что горизонт событий формируется всегда. Однако при сильном отклонении от сферической симметрии коллапс звезды может привести к образованию области с бесконечно сильной гравитацией, но не окруженной горизонтом событий; ее называют «голой сингулярностью». Это уже не черная дыра в том смысле, как мы обсуждали выше. Физические законы вблизи голой сингулярности могут иметь весьма неожиданный вид.


настоящее время голая сингулярность рассматривается как маловероятный объект, тогда как в существование черных дыр верит большинство астрофизиков.
Свойства черных дыр. Для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой. В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с неоднородностью исходной звезды, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, имела ли она форму сигары или блина и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса. Единственность указанных выше типов стационарных черных дыр была доказана в рамках общей теории относительности В. Израэлем, Б. Картером, С. Хокингом и Д. Робинсоном. Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр.
гда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно назвать «интервалом времени». Замечательно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки — что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория. Любое тело, падающее на черную дыру, задолго до пересечения горизонта событий будет разорвано на части мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра. Черная дыра всегда готова поглотить вещество или излучение, увеличив этим свою массу. Ее взаимодействие с окружающим миром определяется простым принципом Хокинга: площадь горизонта событий черной дыры никогда не уменьшается, если не учитывать квантового рождения частиц.
. Бекенстейн в 1973 предположил, что черные дыры подчиняются тем же физическим законам, что и физические тела, испускающие и поглощающие излучение (модель «абсолютно черного тела»). Под влиянием этой идеи Хокинг в 1974 показал, что черные дыры могут испускать вещество и излучение, но заметно это будет лишь в том случае, если масса самой черной дыры относительно невелика. Такие черные дыры могли рождаться сразу после Большого взрыва, с которого началось расширение Вселенной. Массы этих первичных черных дыр должны быть не более 1015 г (как у небольшого астероида), а размер 10-15 м (как у протона или нейтрона). Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры рождает пары частица-античастица; одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Черная дыра с массой 1015 г должно вести себя как тело с температурой 1011 К. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.
Поиск черных дыр. Расчеты в рамках общей теории относительности Эйнштейна указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире; открытие настоящей черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе безнадежно труден: мы не сможем заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.

ерхмассивные черные дыры могут находиться в центрах галактик, непрерывно пожирая там звезды. Сконцентрировавшись вокруг черной дыры, звезды должны образовать центральные пики яркости в ядрах галактик; их поиски сейчас активно ведутся. Другой метод поиска состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центрального объекта в галактике. Если известно их расстояние от центрального объекта, то можно вычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность, возможную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способом в 1996 Дж.Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно, находится черная дыра с массой 40 млн. солнечных. Наиболее перспективным является поиск черной дыры в двойных системах, где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс. По периодическому доплеровскому смещению линий в спектре звезды можно понять, что она обращается в паре с неким телом и даже оценить массу последнего. Если эта масса превышает 3 массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то очень возможно, что это черная дыра. В компактной двойной системе черная дыра может захватывать газ с поверхности нормальной звезды. Двигаясь по орбите вокруг черной дыры, этот газ образует диск и, приближаясь по спирали к черной дыре, сильно нагревается и становится источником мощного рентгеновского излучения. Быстрые флуктуации этого излучения должны указывать, что газ стремительно движется по орбите небольшого радиуса вокруг крохотного массивного объекта.
1970-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойных системах с явными признаками присутствия черных дыр. Самой перспективной считается рентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в 6 масс Солнца. Другие замечательные кандидаты в черные дыры находятся в двойных рентгеновских системах Лебедь X-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. За исключением LMCX-3, расположенной в Большом Магеллановом Облаке, все они находятся в нашей Галактике на расстояниях порядка 8000 св. лет от Земли.
См. также
КОСМОЛОГИЯ;
ТЯГОТЕНИЕ;
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС;
ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ;
ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ.
ЛИТЕРАТУРА
Черепащук А.М. Массы черных дыр в двойных системах. Успехи физических наук, т. 166, с. 809, 1996

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

Источник: dic.academic.ru

Как образуются черные дыры?

Эти монстры возникают как фениксы, возрождаясь из пепла мертвых звезд. Известно, что в звездах происходят реакции термоядерного синтеза — слияние ядер легких атомов в более тяжелые, с выделением большого количества энергии.
к вот, когда звезды достигают конца своей жизни, запасы водорода, который они превращают в гелий, почти полностью истощаются. После водорода они начинают сжигать гелий и так далее, превращая оставшиеся атомы в еще более тяжелые элементы, вплоть до железа, чье слияние уже не дает достаточно энергии для поддержания внешних слоев звезды. Вследствие этого верхние слои рушатся внутрь и взрываются — этот взрыв называется вспышкой сверхновой.

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру. Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса.

После образования черная дыра продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощение звезд и слияние с другими черными дырами может привести к образованию сверхмассивной черной дыры. Согласно общему пониманию, такие объекты существуют в центрах большинства галактик.

Особенности черной дыры

Черная дыра выглядит очень необычно, лишь отдаленно напоминая некую планету, имеющую странные изогнутые кольца. Однако без аккреционного диска, вращающегося вокруг нее, мы бы ее даже не увидели. Давайте посмотрим какие у нее есть внешние особенности.

Аккрецонный диск

Кольцевая структура аккреционного диска, состоит из вещества, падающего на черную дыру, оно разогрето и поэтому светится.


Фотонное кольцо

Фотонное кольцо (или орбита фотона) — это свет, который несколько раз сгибался вокруг черной дыры, прежде чем ускользнуть. Он имеет много слоев, которые становятся все тусклее и тусклее, это происходит потому, что с каждым новым витком свету сложнее вырваться за пределы этого монстра.

Эффект Доплера

На приведенном выше изображении левая сторона аккреционного диска выглядит ярче, чем правая из-за Эффекта Доплера, который обусловлен огромной орбитальной скоростью.

Гравитационное линзирование

Мы видим изогнутый аккреционный диск (сверху и снизу), потому что гравитация отклоняет направление света.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1915 году Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ранее показав, что гравитация влияет на движение света. Через несколько месяцев Шварцшильд дал решение для уравнений Эйнштейна (Метрика Шварцшильда), которое достаточно точно описывает гравитационное поле уединённой невращающейся и незаряженной чёрной дыры.

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Черная дыра: Лебедь X-1Астрономы из Военно-морской исследовательской лаборатории США обнаружили Лебедь Х-1 в 1964 году. Он был дополнительно исследован в 1970-х годах, когда был запущен рентгеновский спутник Ухуру (Uhuru). Когда за объектом начали наблюдать, обнаружилось, что его не было видно ни на одной плоскости электромагнитного спектра, кроме рентгеновских лучей. Более того, рентгеновские лучи мерцали по интенсивности каждую миллисекунду. Затем астрономы переключились на его ближайшего соседа — звезду HDE 226868, у которого была замечена орбита, указывающая на то, что он является частью двойной системы. Однако странность заключалась в том, что ни одна звезда-компаньон не находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Чтобы HDE оставался на своей орбите, его спутнику требовалась масса, превышающая таковую у типичного белого карлика или нейтронной звезды. Более того, это странное мерцание могло возникнуть только из-за небольшого объекта, который мог претерпевать такие быстрые изменения. Озадаченные, ученые смотрели на свои предыдущие наблюдения и теории, чтобы попытаться определить, что это за объект, но были шокированы, когда нашли свое решение в теории, которую многие считали просто математической фантазией.

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Несмотря на невидимую внутренность, присутствие таких массивных объектов можно обнаружить по их взаимодействию с окружающими объектами, а также светом и другим электромагнитным излучениям (гравитационное линзирование).

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

Какая самая большая черная дыра?

Самая большая черная дыра, присутствующая в нашей галактике — это Стрелец A*, ее масса в 4 миллиона раз больше, чем у Солнца. Она находится на расстоянии 25900 световых лет от Земли и должна иметь радиус не менее 12,7 ± 1,1 млн км.

Черная дыра в галактике Андромеды (M81)

Галактика Андромеды, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, имеет черную дыру, которая составляет 110–230 миллионов масс Солнца. Этот объект значительно больше Стрельца А* в Млечном Пути.

M87*

Измерения массы, опубликованные телескопом Event Horizon в 2019 году, предполагают, что M87* — самая большая сверхмассивная черная дыра в окрестностях Млечного Пути. Ее масса около 6,5 млрд M☉, она расположена на расстоянии 53,5 млн световых лет от Земли.

Вращающийся диск с ионизированным газом окружает черную дыру и приблизительно перпендикулярен релятивистской струе, испускаемой М87*. Диск вращается со скоростью примерно до 1000 км/с и имеет максимальный диаметр 0,12 парсек (25 000 а.е.). Для сравнения, в среднем Плутон находится в 39 астрономических единицах (0,00019 парсек) от Солнца. M87* — это первая и пока единственная черная дыра, изображение которой мы смогли получить, оно было опубликовано 10 апреля 2019 года.

В квазарах

Черные дыры в квазарах

Массы черных дыр в квазарах можно оценить косвенными методами, что предполагает значительную неточность. Квазар TON 618 является примером объекта с чрезвычайно большой черной дырой, оцененной в 66 млрд солнечных масс. Другие примеры квазаров с оцененными массами черных дыр — APM 08279+5255, с массой 23 млрд M☉; S5 0014+81, с массой 40 миллиардов М☉.

Излучение

Предполагается, что черная дыра излучает разнообразные элементарные частицы, этот гипотетический процесс называется излучением Хокинга.

Излучение Хокинга

Понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать «виртуальными частицами»). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица. Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (неважно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения.

Читайте также: Стивен Хокинг — биография

Излучение Хокинга является главным аргументом ученых относительно испарения небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникать в ходе экспериментов на БАК.

Как долго может существовать черная дыра?

Гипотетически срок жизни черной дыры зависит от ее массы, которую она теряет из-за излучения Хокинга. Интересно, что черные дыры с меньшей массой теряют ее быстрее, чем более крупные. Это потому, что кривизна, которую они создают в пространстве, является более высокой вокруг горизонта событий. Однако даже в этом случае, черные дыры живут очень и очень долго.

Например, для полного испарения черной дыры с массой Солнца потребуется 1067 лет. Для более крупных черных дыр во Вселенной это могло бы занять невероятные 10100 лет. Гипотетически, когда все звезды и планеты погибнут, черные дыры ещё будут существовать, и в конечном итоге исчезнут сами собой.

Источник: sci-news.ru

Черная дра

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

Черная дра
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

Черная дра
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

Черная дра

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

Черная дра
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

Черная дра
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

Черная дра
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

Черная дра
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

Черная дра
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

Черная дра

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

Структура черной дыры

Для лучшего понимания самого понятия черной дыры рассмотрим случай так называемой шварцшильдовской черной дыры. Это упрощенная модель — сферически симметричная черная дыра, которая характеризуется только массой.

Такая черная дыра может быть порождена гипотетической умирающей  звездой, лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. К тому же, эта звезда не должна вращаться. Для наглядности представим структуру  черной дыры на рисунке ниже:

Шварцшильдовская черная дыра
 

Как видим, черную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, захваченных дырой и движущихся по неустойчивым круговым орбитам вокруг нее. Внутри фотонной сферы находится горизонт событий. Горизонт событий – это точка невозврата из черной дыры.

Материя и информация, попавшие за горизонт событий, уже никогда не смогут вырваться за пределы этой односторонне пропускающей поверхности.

Наконец, в центре черной дыры находится сингулярность – область бесконечно сильно искривленного пространства-времени. Все то, что проваливается за горизонт событий, засасывается в сингулярность, где прекращает свое существование в привычном нам виде.

Виды черных дыр во Вселенной

Современная астрофизика рассматривает три типа черных дыр во Вселенной: звездные, сверхмассивные и реликтовые.

Звездные черные дыры

Это черные дыры со звездными массами. Они возникают как результат жизни массивных звезд. Отметим, что черные дыры образуются только из звезд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.

Другой вариант образования звездной черной дыры — аккреция газа.

Аккреция — это падение вещества из окружающего пространства на космическое тело.

Газ «падает» на нейтронную звезду до тех пор, пока масса последней не превзойдет максимально возможной  массы для нейтронных звезд. В таком случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную черную дыру.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Сверхмассивные черные дыры

Предпологают, что такие черные дыры находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10 в девятой степени масс Солнца. Эти выводы сделаны на основании анализа движения звезд около центров галактик.

Существует также гипотеза, согласно которой сверхмассивные черные дыры находятся в центрах квазаров – малоизученных и самых далеких из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своем центре имеют черную дыру.

Квазары обладают невероятно сильной светимостью и небольшими размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет. Эти объекты выделяют огромную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, а особенно — в инфракрасной области.

Первичные или реликтовые черные дыры

Самые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, пока остальная часть вещества расширялась.

Черная дыра — это не всегда что-то очень большое и тяжелое. Ученые предполагают, что размер некоторых первичных черных дыр может быть значительно меньше размера протона.

В другой нашей статье вы можете узнать, как работает ядерный реактор. А если понадобится помощь с учебой — обращайтесь в студенческий сервис №1.

Источник: Zaochnik-com.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.