Черная дыра - что это и что будет, если в нее попасть? Квантовая черная дыра

Супер загадка физики: черная дыра и квантовая запутанность

Одна из главных загадок современной физики микромира – что произойдет с микрочастицами при попадании в черную дыру, если они связаны между собой так называемым явлением квантовой запутанности.

Квантовая запутанность – очень сложное явление микромира, которое выражается в строгой связанности между собой некоторых частиц. То есть, если частицы запутаны между собой, то чтобы не происходило с одной из них, это обязательно отражается и на второй, причем, даже когда они разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Если, к примеру, два фотона запутаны между собой, и при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Ученые давно ломают голову, что произойдет с такими частицами, если на их пути встанет черная дыра, которая поглощает абсолютно все – возникает неразрешимый парадокс. Профессор Сэмюэль Браунштейн и доктор Стефано Пирандола из Йоркского университета утверждают, что решили загадку.

Физики полагали, что на входе в черную дыру, чтобы не нарушать картину мира невозможным событием, должна существовать некая «огненная стена», своеобразный файервол - всеуничтожающее препятствие, не позволяющее квантово запутанным частицам попадать дальше в глубь дыры. Но что это такое физически, никто и понятия не имел, и представить даже не мог. Браунштейн и Пирандола полагают, что они эту загадку разрешили.

Они применили для решения задачи квантовую теорию информации — раздел, возникший на стыке квантовой механики и теории информации. Они предположили, что при попадании одной из запутанных частиц в дыру, за горизонт времени и событий, для сохранения термодинамического равновесия, информация кодируется на границе черной дыры и сохраняется таким образом для второй частицы. Вокруг дыры сохраняется определенный энергетический занавес вплоть до ее полного испарения и исчезновения, который содержит всю квантовую информацию и охраняет равновесие мира, гласит статья в Physical Review Letters.

<div class="advv"> <ins class="adsbygoogle" style="display:inline-block;width:336px;height:280px" data-ad-client="ca-pub-1812626643144578" data-ad-slot="9935184599"></ins> <script> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); </script> </div>

Загрузка...

argumentiru.com

Квантовая теория черных дыр

Черные дыры в настоящее время рассматриваются в качестве самого привлекательного объекта для изучения во Вселенной. Они обладают уникальными свойствами и характеристиками, однако увидеть их невооруженным глазом не так и просто. До сих пор ученые только склоняются к изучению подобных космических тел, однако их реальное предназначение и функции еще доподлинно неизвестны.

Сегодня исследователи пытаются создать миниатюрную модель черной дыры в условиях лабораторий. Она должна выглядеть совсем не так как представляют ее многие обыватели, однако объект может обладать теми же специфическим свойствами, что и их собратья в открытом космосе.

Отличительные признаки черных дыр

Замечание 1

Астрофизики дают расплывчатое определение объектам, называемым "черные дыры". По мнению ученые, они являются остатками массивных звездных образований. В какой-то момент бывшие звезды совершили коллапс под собственным весом, что привело к образованию нового объекта во Вселенной. При попадании на них вещества, они преобразуют гравитационную потенциальную энергию, которое является единственным источником энергии, способным запомнить мощные потоки рентгеновского излучения.

Черные дыры микроскопических размеров, которые планируют воссоздать экспериментальным способом, могут иметь массу, сравнимую с крупным астероидом. Такие образования могли появляться сразу после точки отсчета – Большого взрыва. Поэтому ученым так важно сегодня достигнуть подобного состояния, чтобы объяснить многие процессы, происходящие на заре времени и пространства нашей объективной Вселенной.

Исследователи полагают, что пространство имеет иные скрытые измерения согласно квантовой теории струн. В этих условиях дыры могут рождаться в различных условиях и в настоящее время. Для этого необходимо лишь столкновение быстрых частиц. После взаимодействия частиц ученые намерены увидеть вместо поглощения вещества испускание энергии и быстрое затухание.

На современном этапе развития концепции черных дыр принято ориентироваться при построении квантовой теории черных дыр на общую теории относительности, которую сформулировал физик Альберт Эйнштейн около века назад. Он полагал, что вещество можно сжать, тогда гравитация может стать настолько сильной, что очертит определенную область пространства. Из этой области ничего не сможет вырваться наружу и будет поглощено. Подобную границу области называют горизонтом событий, и она располагается внутри черной дыры.

Считается, что любые объекты способны проникать внутрь этого пространства, однако наружу вновь выйти не способны. Чем меньше черная дыра по видимым размерам, тем больше ее масса и сжатие. Ученые считают, что максимальная сжатость существовала перед Большим взрывом, энергия которой была сосредоточена в одной сверхмалой точке, а затем произошел ее коллапс с выбросом пока малоизученной энергии. Однако некоторые ученые-теоретики считают, что коллапс – это не единственный путь зарождения черных дыр.

Несколько десятилетий назад была разработана еще одна концепция формирования черных дыр во Вселенной в ее ранний период существования. Специалисты называют их первичными черными дырами.

Установлено, что при расширении пространства средняя плотность вещества идет на уменьшение. Таким образом, в первые моменты после Большого взрыва плотность была намного больше и могла достигать ядерного уровня. В первые мгновения зарождения нашей Вселенной микроскопические черные дыры были необходимы для участия в процессе распространения материи, однако высокая плотность не гарантировала их появления.

Теперь исследователи космоса опираются на предыдущие теоретические знания и могут называть некоторые отличительные признаки различных черных дыр:

они имеют разнообразные размеры и могут существовать на уровне субатомных частиц;
после Большого взрыва могли остаться малые черные дыры, которые пытаются обнаружить ученые;
черные дыры могут возникать не только во Вселенной, но и в земных условиях.

Свойства черных дыр

Британский физик-теоретик Стивен Хокинг долгое время изучал свойства черных дыр. Он предположил, что подобные образования в космосе могут не только полностью поглощать вещество и пространство вокруг себя, но производить побочный продукт в виде тепла, однако измерить подобную величину пока не представляется возможным. Астрофизики определили примерную температуру черных звезд.

Несмотря на то, что в ней сконцентрирована огромная плотность и энергия, она имеет минимально возможную температуру, что очень мало для объекта Вселенной. При этом масса дыры постепенно уменьшается, по мере того, как излучение уносит энергию. По этой причине существование черных дыр считается весьма нестабильным. Сверхмалые черные дыры существуют непродолжительный срок и испаряются в зависимости от приобретенной массы.

Хокинг в своих работах смог объединить три основные теории: относительности, квантовую механику и термодинамику. Вскоре на основе его научных размышлений была создана квантовая теория гравитация, которая напрямую соответствовала современным представлениям о квантовой теории черных дыр.

Для того, чтобы произвести черную дыру в лабораторных условиях, необходимо соблюдения основных принципов и параметров:

создание первичной флуктуации плотности;
столкновение космических лучей;
применение ускорителя частиц.

Проблемы поиска и изучения черных дыр

Для понимания всех процессов в микроскопических черных дырах необходимо для начала понять, что из себя представляет сама черная дыра, находящаяся в естественных условиях Вселенной. Ученые пытаются найти области космического пространства, где фиксируется скопления этих интересных объектов. Так как современные фоновые телескопы часто не могут справиться со своей задачей, то исследователи проводят собственные искусственные исследования в научных комплексах. Самым известным сооружением, при помощи которого планируют создать микроскопическую черную дыру, является Большой Адронный Коллайдер. Он установлен в Швейцарии. Ускоритель БАК сможет столкнуть две частицы с огромной силой, а затем они коллапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Ученые намерены при помощи последующего анализа полученных данных скорректировать основные направление квантовых теорий гравитации и струн. Затем указанные данные могут ответить на вопрос о зарождении и развитии Вселенной, а также понять, сколько на самом деле существует измерений, и каким образом их можно найти и использовать.

Замечание 2

По одной из версий, черные дыры являются своеобразными порталами в иное измерение времени и пространства, входными дверями во Вселенную, что существует параллельно нашей.

spravochnick.ru

KВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ - Чёрные дыры - - Каталог статей

Физики вскоре смогут создавать черные дыры в лаборатории.

С тех пор как почти 80 лет назад изобрели ускорители элементарных частиц, их использовали для решения таких задач, как разрушение атомов, превращение элементов, создание антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но, возможно, вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной - черные дыры.

Черные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звезды. Но дыры, которые, возможно, будут созданы в ускорителях высокой энергии (например, в Большом адронном коллайдере (БАК), который будет запущен в 2007 г. в ЦЕРНе под Женевой), приходятся дальними родственниками тем астрофизическим "бегемотам". Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звезды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской елке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.

ДВА ТИПА ЧЕРНЫХ ДЫР

Астрофизические черные дыры являются остатками массивных звезд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ГЭС, преобразующие гравитационную потенциальную энергию - единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем.

Микроскопические черные дыры могут иметь массу, как у крупного астероида. Они могли возникнуть сразу после Большого взрыва при сжатии уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня при столкновении быстрых частиц. Вместо того, чтобы заглатывать вещество, они должны испускать излучение и быстро распадаться.

Мощное сжатие

Современная концепция черных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий черной дыры. Объекты могут попадать внутрь нее, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, ее размер прямо пропорционален ее массе. Чтобы Солнце стало черной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн. раз, а Землю - до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 1019 кг/м3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые легкие кандидаты в черные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.

Но коллапс звезд - не единственный способ рождения черных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной. Их называют первичными черными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (1097 кг/м3), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать "ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10-35 м (длина Планка) и массой 10-8 кг (масса Планка).

Такова самая легкая черная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться все более массивные первичные черные дыры. Те, что имели массу меньше 1012 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т.е. были бы макроскопическими объектами.

Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных черных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность черной дыры оказалась выше средней, так что необходимы еще и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных черных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных черных дырах заключено не слишком много вещества.

КАК СДЕЛАТЬ ЧЕРНУЮ МИНИ-ДЫРУПервичные флуктуации плотностиВ раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Ее плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в черную дыру. Столкновения космических лучейКосмические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.

Ускоритель частицУскоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Что упало, то пропало?

Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришел к выводу, что черные дыры не только заглатывают частицы, но и выплевывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголек, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у черной дыры с массой 1012 кг (это масса средней горы) температура 1012 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных - электронов и позитронов.

Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что черная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна - 1064 лет. Дыра с массой 1012 кг живет 1010 лет - возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные черные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать свое испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные черные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

Согласно теории относительности, информация о том, что попало в черную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, черные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.

Предположение о том, что от черных дыр что-то остается, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом черной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки черной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе все стало бы неустойчивым.

Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошел до другого, - неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков (см. "Сингулярный компьютер", "В мире науки", №2, 2005 г.).

РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ КВАНТОВОЙ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать черную дыру. Новорожденная дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10-24 кг.)

Успокаиваясь, черная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), "дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.

Черная дыра уже не черная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости черной дыры.

Перестав вращаться, черная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.

Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнет испускать струны, т.е. самые фундаментальные частицы вещества.

Модель распада чёрной дыры

Из центра трубки ускорителя (черный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

Поиск дыр

Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических черных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные черные дыры с начальной массой 1012 кг, взрывающиеся в современной Вселенной. Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля темного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (David Cline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным черным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть связаны со взрывами или слияниями звезд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения черной дыры.

Еще более захватывающая возможность - создание черных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc2 эта энергия эквивалентна массе 10-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может образоваться черная дыра.

Но масса 10-23 кг намного меньше массы Планка в 10-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой легкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределенности. Поскольку частицы ведут себя еще и как волны, они "размазываются" в некотором пространстве, которое уменьшается с ростом энергии: при энергиях БАК его размер 10-19 м. Это наименьшая область, в которую можно упаковать энергию частицы. Получается плотность 1023 кг/м3 - довольно высокая, но недостаточная для создания черной дыры. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 1015 раз больше энергии БАК. Несмотря на то что ускорители могли бы создать объекты, математически подобные черным дырам (и некоторые теоретики думают, что это уже сделано), сами дыры, похоже, лежат вне досягаемости.

ДЕЛАТЬ ДЫРЫ НЕЛЕГКОНасколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в черную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звезды (см. график). Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны (см. рисунок), поэтому дыра не может иметь массу менее 10-8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придется так сильно сжимать.

К иным измерениям!

За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трехмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений - компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая дает тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.

Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться черная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения черной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.

Теоретические исследования образования черных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (Roger Penrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (Peter D'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (Tom Banks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (Willy Fischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г.

В 2001 г. на конференции две группы ученых: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (Scott Thomas) из Стэнфордского университета, а также Савас Димопулос (Savas Dimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, черные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой черных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным.

Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся черная дыра - иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты ее распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп ученых детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить черные дыры.

Черные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, черные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечет параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку ее часть будет уходить в другую Вселенную).

Водопад из черных дыр?

Перспектива создания черных дыр на Земле может показаться безумной. Откуда мы знаем, что они благополучно распадутся, как предсказывает Хокинг, а не продолжат свой рост и в конце концов не проглотят нашу планету? На первый взгляд, весьма обоснованная тревога, особенно если учесть, что некоторые детали исходной теории Хокинга могут быть неверны: скажем, утверждение, что информация разрушается в черных дырах. Однако общие принципы квантовой механики указывают, что микроскопические черные дыры не могут быть устойчивы, а значит, они безопасны. Концентрации энергии и массы, типа элементарных частиц, постоянны, только если какой-то закон сохранения запрещает их распад. Примерами служат сохранение электрического заряда и барионного числа. Но нет такого закона, который стабилизировал бы маленькую черную дыру. В квантовой теории все, что не запрещено, обязательно происходит, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики маленькие черные дыры быстро распадутся.

Да и опыт подсказывает, что фабрика черных дыр не представляет опасности. Ведь столкновения с высокой энергией, такие как в БАК, уже имели место, например, в ранней Вселенной. Изредка они происходят и теперь, когда быстрые частицы космических лучей влетают в нашу атмосферу: природа сама создает черные дыры. Уже первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космические лучи высокой энергии (протоны или более тяжелые атомные ядра с энергиями до 109 ТэВ) могут рождать в атмосфере порядка 100 черных дыр в год.

Кроме того, оба вышеуказанных ученых вместе с Дэвидом Дорфаном (David Dorfan) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Томом Риццо (Tom Rizzo) из Стэнфордского центра линейного ускорителя, а также, независимо, Джонатан Фенг (Jonathan L. Feng) из Калифорнийского университета в Ирвине и Альфред Шейпер (Alfred D. Shapere) из Университета штата Кентукки доказали, что столкновения космических нейтрино могут быть даже более эффективны. Если это так, то новая Обсерватория космических лучей им. Оже в Аргентине, которая уже вступила в строй, и модернизируемая Обсерватория Fly's Eye ("Глаз мухи") в штате Юта смогут наблюдать по несколько дыр в год. Однако такие исследования не отменяют необходимость в экспериментах на ускорителях, где при контролируемых условиях может формироваться множество дыр.

Наличие черных дыр доказало бы существование скрытых измерений пространства, а наблюдая их свойства, физики могли бы исследовать "географию" измерений. Например, если создавать на ускорителе дыры все большей массы, они станут проникать все глубже в дополнительные измерения и сравниваться по размеру с одним или несколькими из них, демонстрируя при этом характерные изменения зависимости своей температуры от массы. К тому же если черная дыра становится достаточно большой, чтобы пересечься с параллельной трехмерной Вселенной в дополнительных измерениях, характеристики ее распада должны неожиданно измениться.

Создание черных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок - к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать черные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины, по-видимому, перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением черной дыры. Столкновения при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, приведут к рождению черных дыр все большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец важного направления науки. И возникнет новая задача - исследования дополнительных измерений пространства.

ОБЗОР: ФАБРИКИ ЧЕРНЫХ ДЫР

Черные дыры могут иметь разнообразные размеры и даже быть меньше субатомных частиц. Крошечные дыры должны разрушаться квантовыми эффектами, а самые мелкие - взрываться сразу после рождения.

Малые черные дыры могли остаться от ранних стадий Большого взрыва, поэтому астрономы пытаются обнаружить взрывы некоторых из них.

Теоретики предполагают, что малые черные дыры могут возникать при столкновениях в современной Вселенной и даже на Земле. Правда, для этого потребуется гигантская энергия. Но если пространство имеет дополнительные измерения, то энергетический порог будет намного ниже, и дыры могли бы рождаться в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и при столкновении космических лучей с атмосферой. Физики могли бы использовать дыры для исследования дополнительных измерений пространства.

ОБ АВТОРАХ:Бернард Карр, Стивен Гиддингс (Bernard Carr, Steven Giddings). Карр - профессор Лондонского университета королевы Марии. Он заинтересовался астрофизикой после известного документального фильма Найджела Колдера (Nigel Calder) "Неистовая Вселенная", показанного в 1969 г. Позже он стал аспирантом Хокинга и одним из первых теоретически изучил маленькие черные дыры. Гиддингс - профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специалист по квантовой гравитации и космологии. Он одним из первых исследовал возможность создания черных дыр в ускорителях частиц.

blackhole.3dn.ru

Черные дыры

Черные дыры

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не может даже свет. Граница этой области называется горизонтом событий, а её радиус (если она сферически симметрична) — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда.

Гравитационная сингулярность (сингулярность пространства-времени) — точка (или подмножество) в пространстве-времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в неё геодезическую. При приближении к сингулярности приливные гравитационные силы стремятся к бесконечности. Это означает, что любое тело будет разорвано. Сингулярности не наблюдаются и являются, при нынешнем уровне развития физики, лишь теоретическим построением. Считается, что описание пространства-времени вблизи сингулярности должна давать квантовая гравитация.

Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. В сингулярности пространство и время не только “искривляются” сильнейшим образом, но и утрачивают, вероятно, свой непрерывный характер, распадаются на отдельные неделимые более промежутки — кванты.Однако, все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень малых пространственных масштабов, в чем пока нет уверенности. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации еще не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы. Испарение черных дыр.Представления о чёрной дыре как об абсолютно поглощающем объекте были скорректированы С. Хокингом в 1975 г. Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, он предсказал, что чёрная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением (испарением) Хокинга . Упрощённо говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь чёрной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (т. е. часть массы) чёрной дыры. Теоремы об «отсутствии волос» у чёрной дыры говорят о том, что у стационарной чёрной дыры внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определённых зарядов (специфических для различных материальных полей), быть не может, и детальная информация о материи будет потеряна (и частично излучена вовне) при коллапсе. Сейчас представляется, что данная теорема верна для известных в настоящее время полей, хотя в некоторых экзотических случаях, аналогов которых в природе не обнаружено, она нарушается.

Возникновение черных дыр

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

Гравитационный коллапс достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.
Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик.
Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

Виды черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни некоторых звезд. После полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможно превращение ее в черную дыру. Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров. Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей Галактики. Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр. Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации, которая еще не создана. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса порядка 10-5 г, радиус — 10-35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу. Даже если квантовые дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным. В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры. Однако по теории струн энергии требуется гораздо меньше и синтез можно осуществить. *** Впоследствии (после возникновения) чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи рентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.

Падение в чёрную дыру

Представим себе, как должно выглядеть падение в Шварцшильдовскую чёрную дыру. Тело, свободно падающее под действием сил тяжести, находится в состоянии невесомости. Падающее тело будет испытывать действие приливных сил, растягивающих тело в радиальном направлении и сжимающих — в тангенциальном. Величина этих сил растет и стремится к бесконечности при r→0. В некоторый момент собственного времени тело пересечет горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине (ее радиус в точке, где находится тело и есть r), сжимающейся столь быстро, что улететь из нее до момента окончательного схлопывания (это и есть сингулярность) уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света. Рассмотрим теперь процесс падения тела в чёрную дыру с точки зрения удалённого наблюдателя. Пусть, например, тело будет светящимся и, кроме того, будет посылать сигналы назад с определённой частотой. Вначале удалённый наблюдатель будет видеть, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру. Цвет тела не изменяется, частота детектируемых сигналов практически постоянна. Однако, когда тело начнёт приближаться к горизонту событий, фотоны, идущие от тела, будут испытывать всё большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля как свет, так и все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее. Будет казаться, что тело — в чрезвычайно сплющенном виде — будет замедляться, приближаясь к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится. Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удаленный наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Если падающее тело достаточно массивно, удалённый наблюдатель увидит вздутие горизонта событий чёрной дыры в месте, находящимся под падающим телом. Как только падающее тело начнёт сливаться с горизонтом событий, вздутие начнёт уменьшаться и от места падения тела по поверхности горизонта событий пойдут круги, а общий радиус горизонта событий несколько возрастёт. Колебания поверхности горизонта событий со временем затухнут за счёт испускаемого ими гравитационного излучения. Аналогично будет выглядеть для удалённого наблюдателя и процесс гравитационного коллапса. Вначале вещество ринется к центру, но вблизи горизонта событий оно станет резко замедляться, его излучение уйдёт в радиодиапазон, и, в результате, удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла. Подготовлено по материалам сайтов: Heliophysics, Internal structure and seismology Википедия Проект "Астрогалактика" Мембрана Астронет Институт Космических Исследований Яndex словари

patich7.narod.ru

Виды черных дыр

Черные дыры во Вселенной

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

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.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

Образование черных дыр

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела. Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей 3. 3. 3. Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 4,31х106 М, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.

4. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

Эволюция черных дыр

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые - это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Но продолжает оставаться загадкой, как образуются и существуют черные дыры средней массы? Речь идет о так называемых черных дырах с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца.

Доказательства происхождения этих объектов остается спорным. До сих пор не было обнаружено более чем одной такой черной дыры в одной галактике. Но группа исследователей нашла в результате изучения рентгеновских данных две средние по массе черные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли.

По особенностям излучения, испускаемого черными дырами в M82, исследователи заключили, что масса одной из черных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч солнечных масс, а масса второй - от 200 до 800 масс Солнца. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект, расположен на расстоянии 600 световых лет в проекции от центра галактики.

"Впервые были обнаружены две средние по массе черные дыры в одной галактике, - поделился один из исследователей Хуа Фэн из Университета Цинхуа, Китай. - Их расположение вблизи центра галактики может содержать сведения о происхождении крупнейших черных дыр во Вселенной, таких как сверхмассивные черные дыры, которые найдены в центрах большинства галактик".

Одним из возможных механизмов для формирования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновения звезд и компактных звездных скоплений, что приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в черные дыры промежуточной массы. Далее промежуточные черные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

"Мы не можем сказать точно, является ли подобный процесс формирования черных дыр в M82 подтверждением этой теории, но мы точно знаем, что обе эти средние черные дыры расположены вблизи звездных скоплений, - сказал Фил Карет из Университета штата Айова, один из авторов статьи. - Кроме того, M82 является ближайшей к нам галактикой, где условия аналогичны тем, которые были в ранней Вселенной, с наличием большого количества звезд".

До сих пор астрономы точно не знали, могут ли присутствовать в одной галактике сразу две черные дыры средней массы. Возможно, открытие прольет свет на процессы образования и эволюции сверхмассивных черных дыр в галактиках.

Разновидности черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс. Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, изгелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара.

Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера — Волкова.

Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2—3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров.

Впоследствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•1015 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10-3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.

biofile.ru

Черная дыра - что это и что будет, если в нее попасть?

Несмотря на огромные достижения в области физики и астрономии, есть немало явлений, суть которых до конца не раскрыта. К таким явлениям принадлежат загадочные черные дыры, вся информация о которых носит лишь теоретический характер и не может быть проверена практическим путем.

Существуют ли черные дыры?

Еще до появления теории относительности астрономами была высказана теория о существовании черных воронок. После публикации теории Эйнштейна был пересмотрен вопрос гравитации и в проблеме черных дыр появились новые предположения. Увидеть этот космический объект нереально, ведь он поглощает весь свет, попадающий в его пространство. Ученые доказывают наличие черных дыр, опираясь на анализ движения межзвездного газа и траектории передвижений звезд.

Образование черных дыр ведет к изменению вокруг них пространственно-временных характеристик. Время будто сжимается под влиянием огромной гравитации и замедляется. Звезды, оказавшиеся на пути черной воронки, могут уклоняться от своего маршрута и даже менять направление движения. Черные дыры поглощают энергию своей звезды-двойника, чем также проявляют себя.

Как выглядит черная дыра?

Информация, касающаяся черных дыр, по большей части носит гипотетический характер. Ученые изучают их по их воздействию на пространство и излучению. Увидеть черные дыры во вселенной не представляется возможным, ведь они поглощают весь свет, попадающий в близлежащее пространство. Со специальных спутников было сделано рентгеновское изображение черных объектов, на котором виден яркий центр, являющийся источником излучения лучей.

Как образуются черные дыры?

Черная дыра в космосе является отдельным миром, который имеет свои уникальные характеристики и свойства. Свойства космических дыр обусловлены причинами их появления. Относительно появления черных объектов существуют такие теории:

Они являются результатом коллапсов, происходящих в космосе. Это может быть столкновение крупных космических тел или взрыв сверхновых звезд.
Они возникают вследствие утяжеления космических объектов при сохранении их размеров. Причина такого явления не определена.

Черная воронка – это объект в космосе, имеющий относительно небольшой размер при огромной массе. Теория черной дыры говорит, что каждый космический объект потенциально может стать черной воронкой, если в результате каких-то явлений он будет терять свои размеры, но сохранять массу. Ученые даже говорят о существовании множества черных микродыр – миниатюрных космических объектах с относительно большой массой. Такое несоответствие массы и размера приводит к усилению гравитационного поля и появлению сильного притяжения.

Что находится в черной дыре?

Черный таинственный объект можно назвать дырой лишь с большой натяжкой. Центром этого явления является космическое тело, имеющее повышенную гравитацию. Результатом такой гравитации становится сильное притяжение к поверхности этого космического тела. При этом образуется вихревой поток, в котором вращаются газы и крупицы космической пыли. Поэтому черную дыру правильнее называть черной воронкой.

Узнать на практике, что внутри черной дыры, невозможно, потому что уровень гравитации космической воронки не позволяет никакому объекту вырваться из зоны ее влияния. По мнению ученых, внутри черной дыры полная темнота, ведь кванты света исчезают в ней безвозвратно. Предполагается, что внутри черной воронки искажается пространство и время, законы физики и геометрии в этом месте не действуют. Такие особенности черных дыр предположительно могут приводить к образованию антивеществ, которые на данный момент не знакомы ученым.

Чем опасны черные дыры?

Иногда черные дыры описываются как объекты, поглощающие окружающие предметы, излучения и частицы. Такое представление неверно: свойства черной дыры позволяют ей впитывать лишь то, что попадает в зону ее влияния. Она может втягивать в себя космические микрочастицы и излучение, исходящее от звезд-двойников. Даже если планета находится вблизи черной дыры, она не будет поглощена, а продолжит двигаться по своей орбите.

Что будет, если попасть в черную дыру?

Свойства черных дыр зависят от силы гравитационного поля. Черные воронки притягивают к себе все, что попадает в зону их влияния. При этом изменяются пространственно-временные характеристики. Ученые, изучающие все о черных дырах, расходятся во мнении относительного того, что происходит с предметами в этой воронке:

одни ученые предполагают, что все предметы, попадающие в эти дыры, растягиваются или разрываются на куски и не успевают достичь поверхности притягивающего объекта;
другие же ученые утверждают, что в дырах искривляются все привычные характеристики, поэтому предметы там как бы исчезают во времени и пространстве. По этой причине черные дыры иногда называют воротами в иные миры.

Виды черных дыр

Черные воронки делятся по видам, исходя из способа их образования:

Черные объекты звездных масс зарождаются в конце жизни некоторых звезд. Полное сгорание звезды и окончание термоядерных реакций приводит к сжатию звезды. Если же при этом звезда претерпит гравитационный коллапс, то сможет трансформироваться в черную воронку.
Сверхмассивные черные воронки. Ученые утверждают, что сердцевиной любой галактики является сверхмассивная воронка, образование которой является началом появления новой галактики.
Первичные черные дыры. Сюда могут относиться дыры различной массы, включая микродыры, образовавшиеся из-за расхождений в плотности материи и силе гравитации. Такие дыры – это воронки, образовавшиеся в начале зарождения Вселенной. Сюда же относятся такие объекты, как волосатая черная дыра. Отличаются эти дыры наличием лучей, похожих на волоски. Предполагается, что эти фотоны и гравитоны сохраняют часть информации, попадающей в черную дыру.
Квантовые черные дыры. Появляются как результат ядерных реакций и живут непродолжительное время. Квантовые воронки представляют наибольший интерес, так как их изучение может помочь ответить на вопросы по проблеме черных космических объектов.
Некоторые ученые выделяют такой вид космических объектов, волосатая черная дыра. Отличаются эти дыры наличием лучей, похожих на волоски. Предполагается, что эти фотоны и гравитоны сохраняют часть информации, попадающей в черную дыру.

Ближайшая черная дыра к Земле

Ближайшая черная дыра удалена от Земли на 3000 световых лет. Она называется V616 Monocerotis, или V616 Mon. Ее вес достигает 9-13 масс Солнца. Бинарный партнер этой дыры – звезда в полмассы Солнца. Еще одна относительно близкая к Земле воронка - Cygnus X-1. Она располагается от Земли в 6 тысячах световых лет и весит в 15 раз больше Солнца. Эта черная космическая дыра тоже имеет своего бинарного партнера, движение которого и помогает отследить влияние Cygnus X-1.

Черные дыры - интересные факты

Ученые рассказывают о черных объектах такие интересные факты:

Если брать в расчет, что эти объекты являются центром галактик, то для поиска самой большой воронки следует обнаружить самую крупную галактику. Поэтому самая большая черная дыра во вселенной – воронка, находящаяся в галактике IC 1101 в центре скопления Abell 2029.
Черные объекты на самом деле выглядят как разноцветные. Причина этого кроется в их радиомагнитном излучении.
В середине черной дыры нет постоянных физических или математических законов. Все зависит от массы дыры и ее гравитационного поля.
Черные воронки постепенно испаряются.
Вес черных воронок может доходить до неимоверных размеров. Масса наибольшей черной дыры равняется 30 миллионам масс Солнца.

kak-bog.ru