Содержание
Что такое черные дыры? – МИА «МИР»
16 июня — Молодежные новости. Что такое черные дыры? Самое загадочное и малоизученное явление во Вселенной. Кто-то считает, что это своеобразные порталы между далекими галактиками. Давай же отбросим сомнения и узнаем, что говорят учёные!
Что такое чёрная дыра?
Черная дыра — это место в космосе, где гравитация тянет так сильно, что даже свет не может выйти. Гравитация настолько сильна, потому что материя была сжата в крошечное пространство. Это может случиться, когда звезда умирает.
Поскольку никакой свет не может выйти, люди не могут видеть черные дыры. Они невидимы. Космические телескопы со специальными инструментами могут помочь найти черные дыры. Специальные инструменты могут видеть, как звезды, которые находятся очень близко к черным дырам, действуют иначе, чем другие звезды.
Насколько чёрные дыры большие?
Черные дыры могут быть большими или маленькими. Ученые считают, что самые маленькие черные дыры имеют размер всего один атом. Эти черные дыры почти крошечные, но имеют массу большой горы. Масса — это количество материи или «материала» в объекте.
Другой вид черной дыры называется «звездным». Его масса может быть в 20 раз больше массы Солнца. В Млечном пути может быть множество черных дыр звездной массы.
Самые большие черные дыры называются «сверхмассивными». Эти черные дыры имеют массы, которые составляют более 1 миллиона Солнц вместе. Ученые нашли доказательства того, что каждая большая галактика содержит сверхмассивную черную дыру в своем центре. Сверхмассивная черная дыра в центре галактики Млечный Путь называется Стрелец А. Она имеет массу, равную примерно 4 миллионам Солнц, и поместится внутри очень большого шара, который может вместить несколько миллионов планет, похожих на Землю.
Как черные дыры могут повлиять на Землю?
Черные дыры не перемещаются в космосе. Земля не упадет в черную дыру, потому что ни одна черная дыра не находится достаточно близко к Солнечной системе. Даже если на место Солнца придет черная дыра той же массы, что и у звезды, Земля все равно не сместится. У такой черной дыры сохранилась бы сила тяжести. Земля и другие планеты просто вращались бы вокруг черной дыры, как они вращаются сейчас вокруг Солнца.
Но подмена Солнца черной дырой нам не грозит, так как она недостаточно большая звезда для этой метаморфозы.
Разобравшись с тем, что собой представляет этот космический объект, давайте представим, что в теории, произойдёт с нами, если мы подлетим к ней слишком близко.
Что произойдет с человеком внутри черной дыры?
Если такое случится, то финал может быть удивительным! В тот момент, когда человек попадает в черную дыру, реальность словно разделяется надвое. Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха. То есть человек останется внутри черной дыры живым и невредимым.
Какой бы безопасной теперь эта идея не казалась, это всего лишь теория, никто не знает, что произойдёт в действительности. Поэтому, если в ближайшее время ты отправишься покорять просторы галактики, настоятельно рекомендуем держаться от чёрных дыр на дистанции.
Текст: Меликов Дмитрий
Фото: Pixabay
ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ • Большая российская энциклопедия
ЧЁРНЫЕ ДЫ́РЫ, общее название сколлапсировавших объектов, не имеющих материальной поверхности; их границей является горизонт событий. В рамках ньютоновской физики ранние идеи о существовании столь массивных или столь компактных объектов, что никакие тела и даже частицы света под действием гравитации не могут уйти далеко от их поверхности, относятся ещё к 18 в. [Дж. Мичелл (Англия), П. С. Лаплас]. Совр. взгляд на природу таких объектов возник с созданием общей теории относительности (ОТО). Первые работы по этому вопросу принадлежат К. Шварцшильду. Всплеск интереса к развитию физики Ч. д. (кон. 1950-х – нач. 1960-х гг.) был вызван работами амер. учёного Д. Финкельштейна. Термин «Ч. д.», по всей видимости, впервые использовала амер. журналистка Э. Эвинг в 1964; через неск. лет это словосочетание стало популярным благодаря амер. физику Дж. Уилеру. В нач. 1970-х гг. термин стал общеупотребительным.
Прямого наблюдат. подтверждения существования Ч. д. нет, однако существует ряд астрономич. объектов, свойства которых наиболее точно описываются в рамках этой гипотезы. Кроме того, осн. теории гравитации предсказывают неизбежность формирования Ч. д. при определённых реалистичных условиях. В разных теориях гравитации свойства Ч. д. могут различаться. Наиболее распространённым является описание Ч. д. в рамках ОТО.
Согласно ОТО, внутри Ч. д. существует т. н. сингулярность, в которой кривизна пространства-времени и плотность материи формально достигают бесконечного значения. В случае невращающейся Ч. д. сингулярность является точкой в центре Ч. д.; всё попавшее в Ч. д. вещество оказывается в сингулярности. В случае вращающихся Ч. д. сингулярность имеет структуру бесконечно тонкого кольца, и при некоторых условиях частицы могут избежать попадания в неё. В рамках ОТО Ч. д. описывается 3 параметрами: массой, моментом импульса и электрич. зарядом. Зарядом Ч. д., как правило, можно пренебречь, поскольку даже в случае возникновения заряженной Ч. д. приток частиц с зарядом противоположного знака быстро сделает макроскопич. объект электрически нейтральным. Размер Ч. д. прямо пропорционален её массе. При массе, равной 10 массам Солнца, радиус невращающейся незаряженной Ч. д. составляет ок. 30 км.
Осн. механизмы формирования Ч. д. в природе – астрофизические. Во-первых, это гравитационный коллапс ядер массивных звёзд на конечной стадии звёздной эволюции. В результате формируются Ч. д. с массами от нескольких единиц до нескольких десятков масс Солнца. Во-вторых, это коллапс облаков газа на ранней стадии формирования галактик, приводящий к появлению Ч. д. с массами свыше нескольких тысяч масс Солнца. В дальнейшем они в осн. становятся сверхмассивными Ч. д. в ядрах галактик. Наконец, существует гипотетич. механизм формирования т. н. первичных Ч. д. в ранней Вселенной за счёт флуктуаций плотности.
Наблюдения Ч. д. связаны с проявлениями материи вне этих объектов. В первую очередь, это аккреция вещества на Ч. д. Кроме того, есть кандидаты в события гравитационного микролинзирования на одиночных Ч. д. звёздных масс. Особое место занимает регистрация гравитационно-волновых всплесков при слияниях Ч. д. В этом случае наблюдаются гравитационные волны, возникающие при сильных возмущениях метрики.
В 1974 С. Хокинг предположил, что Ч. д., с учётом квантовых эффектов, должна непрерывно испускать частицы (т. н. излучение Хокинга) и за счёт этого терять свою энергию и массу («испарение» Ч. д.). Прямым доказательством существования Ч. д. стало бы обнаружение финальных (взрывных) стадий хокинговского испарения этих объектов.
На 2017 существует неск. десятков аккрецирующих компактных объектов в тесных двойных системах, наблюдаемых в рентгеновском диапазоне, которые являются надёжными кандидатами в Ч. д. Это связано в первую очередь с измерениями их масс, превосходящих предел устойчивости для нейтронных звёзд. Кроме того, спектральные и др. характеристики этих источников наилучшим образом описываются в модели Ч. д. Измеренные массы Ч. д. звёздных масс в осн. заключены в пределах от 5 до 15 масс Солнца.
Существует большое количество кандидатов в сверхмассивные Ч. д. Во-первых, феномен активных ядер галактик (квазары и др.) получает хорошую интерпретацию лишь в модели с Ч. д. Поэтому формально можно считать, что в каждой галактике с активным ядром находится сверхмассивная Ч. д. Во-вторых, для некоторых центр. объектов галактик есть надёжные измерения масс и ограничения на размеры. Вместе эти характеристики чрезвычайно трудно проинтерпретировать, не прибегая к гипотезе Ч. д. Измерения масс сверхмассивных Ч. д. дают величины от нескольких тысяч (как правило, в карликовых галактиках) до примерно 20 млрд. масс Солнца.
Регистрация в сент. 2015 детекторами LIGO гравитационно-волнового сигнала дала новый аргумент в пользу существования Ч. д., поскольку форма зарегистриров. импульса соответствует ожидаемому от слияния двух Ч. д. с массами в неск. десятков масс Солнца.
Черные дыры
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
1 / 4
1 / 4
На этой иллюстрации показаны легкие и другие космические объекты, притягиваемые к черной дыре.
На этой иллюстрации показаны легкие и другие космические объекты, притягиваемые к черной дыре.
Фотография Дэвида Агилара
В центре большинства галактик находится одна из самых странных и смертоносных вещей во Вселенной: черная дыра.
Большинство черных дыр, независимо от их размера, рождаются, когда у гигантской звезды заканчивается энергия. Звезда взрывается, а ее центр разрушается под собственным весом. Это вызывает взрыв, называемый сверхновой. Гигантская звезда в конечном итоге сжимается в сверхмаленькую точку, которую вы не можете видеть.
Гравитация черной дыры, или сила притяжения, настолько сильна, что притягивает к себе все, что подходит слишком близко. Он может даже проглотить целые звезды. Ничто не может двигаться достаточно быстро, чтобы избежать гравитации черной дыры. Это включает в себя свет, самую быструю вещь во Вселенной. Вот почему мы не можем видеть черные дыры в космосе — они поглотили весь свет. Хотя астрономы не могут видят черных дыр, они знают, что они там, по эффекту, который они оказывают на объекты, которые подходят слишком близко.
Существует два типа черных дыр. Сверхмассивные черные дыры — самый большой тип черных дыр. Они до 1 миллионов раз массивнее нашего Солнца. Это своего рода черная дыра, которая находится в центре нашей галактики, Млечного Пути; это называется Стрелец А*. (A* — научный код для «А-звезды».) Самый распространенный тип черных дыр, звездные черные дыры, только в 20 раз массивнее нашего Солнца.
Сильная гравитация вблизи черной дыры заставляет время вести себя странным образом. Если астронавт покинет свой космический корабль, чтобы вблизи исследовать черную дыру, он увидит, как стрелки его часов тикают с нормальной скоростью. Но если бы кто-то на борту космического корабля мог наблюдать за часами астронавта издалека, они бы увидели, что их стрелки замедляются по мере того, как выходец в открытый космос приближается к черной дыре. Когда выходец из космоса вернулся на космический корабль после часового выхода в открытый космос, для тех, кто находился на борту космического корабля, прошли годы.
Когда-нибудь люди смогут использовать черные дыры для путешествий во времени. Астронавт мог совершить короткое путешествие вблизи черной дыры и вернуться на Землю после того, как там прошли годы, десятилетия или даже столетия. Машина времени в виде черной дыры может позволить астронавту узнать, каким будет мир в будущем. Но вернуться в прошлое? Это совсем другая задача!
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
• Были обнаружены тысячи потенциальных черных дыр, но НАСА считает, что в космосе их может быть более миллиарда.
• Черные дыры не живут вечно. Они медленно испаряются с течением времени, возвращая свою энергию Вселенной.
• В 2015 году две черные дыры столкнулись друг с другом на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год.) Однако они не были уничтожены — они просто слились, образовав большую черную дыру.
Космические видео
Сейчас играет
0:38
Outer This World
Далее
0:45
Планета Земля
Сейчас играет
0:34
Согласно всем землянам
2:32
.
:47
Shoot for the Stars
Сейчас играет
3:18
Что такое Хаббл?
Проигрывается
2:32
Space Art
Проигрывается
3:25
Как работает Хаббл
Читать дальше
ЕКА — Черные дыры
Наука и исследования
17523 просмотров
151 лайков
Что такое черные дыры? Как они формируются и развиваются? Какое влияние они оказывают на свое окружение и на остальную Вселенную — и почему мы должны заботиться о них?
ЕКА работает над ответами на эти и многие другие вопросы, используя набор уникальных, но взаимодополняющих космических миссий.
Даже свет не может вырваться
Черная дыра в сильном магнитном поле
Черная дыра — это чрезвычайно плотный объект, гравитация которого настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть его.
У каждого объекта в космосе есть «скорость убегания»: минимальная скорость, с которой что-то должно двигаться, чтобы покинуть гравитационное поле объекта. На поверхности Земли скорость убегания составляет около 11 километров в секунду, а это означает, что все, что покидает нашу планету, должно двигаться быстрее, чем это, чтобы вырваться из гравитационного притяжения Земли.
Это может показаться быстрым, но скорость убегания Земли меркнет по сравнению со скоростью типичной черной дыры. Гравитационное поле черной дыры настолько сильное, что ее скорость убегания превышает скорость света. Это означает, что даже свет не может ускользнуть (что делает их «невидимыми», отсюда и название «черная дыра»).
Как рождается черная дыра?
В течение жизни звезды она вырабатывает энергию, сплавляя все более тяжелые элементы в своем ядре. В конце концов, у звезды не останется материала, который можно преобразовать в энергию, но то, что произойдет дальше, зависит от размера звезды.
Звезды, масса которых примерно в десять раз превышает массу Солнца, расширяются и становятся красными гигантами, а затем белыми карликами, окруженными планетарными туманностями (которые не имеют ничего общего с планетами). Но более крупные звезды с железными ядрами начинают коллапсировать, начиная с самых внутренних слоев. Когда внешние слои падают на это компактное ядро, они отскакивают и выбрасываются в космос в виде сверхновой. Если оставшееся компактное ядро более чем в три раза превышает массу Солнца, оно сжимается во все меньший и меньший объем, его гравитационное притяжение увеличивается, и его скорость убегания становится больше. В конце концов достигается точка, когда даже свет не может двигаться достаточно быстро, чтобы вырваться — это черная дыра.
Существуют и другие теории образования черных дыр, например, что большинство черных дыр образовались сразу после Большого взрыва. Будущие миссии ЕКА, такие как Webb, LISA и Athena, могут помочь подтвердить или опровергнуть эти теории.
Что такое черная дыра?
От звездных до сверхмассивных
Вокруг черных дыр остается много загадок, одна из которых заключается в том, что они кажутся либо «звездной массой» (в несколько раз больше массы Солнца), либо «сверхмассивными» (миллионы, если не миллиарды) , раз больше массы Солнца).
Мы знаем, что в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь, скрываются сверхмассивные черные дыры. Их огромная гравитация заставляет близлежащие звезды и газ кружиться вокруг них, приближаясь все ближе и ближе… эта «аккреция» материи на черную дыру питает некоторые из самых энергичных объектов во Вселенной, включая квазары и блазары.
В прошлом считалось, что сверхмассивные черные дыры возникли как черные дыры звездной массы, которые со временем аккрецировали материю. Но космические телескопы, такие как «Хаббл» и XMM-Newton ЕКА, наблюдали сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной, где они не успели бы вырасти из черных дыр небольшой звездной массы. Ответом, вероятно, будут черные дыры среднего размера (промежуточной массы), которые быстрее растут и становятся сверхмассивными черными дырами. В 2018 году XMM-Newton был использован для обнаружения лучшего кандидата в черные дыры промежуточной массы, наблюдаемого до сих пор, и обнаружение большего количества черных дыр промежуточной массы является одной из больших целей миссии LISA ЕКА.
Представление художника о быстровращающейся сверхмассивной черной дыре
Наблюдение за черными дырами
Пара сливающихся черных дыр
Поскольку свет не может покинуть черную дыру, за этими объектами можно наблюдать только косвенно; в результате они трудно изучаются и поэтому остались несколько загадочными. Но благодаря современным космическим миссиям, разработанным ЕКА и другими научными агентствами, мы постепенно раскрываем секреты формирования, эволюции и поведения черных дыр.
Черные дыры были предсказаны Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности в 1915 году, но на самом деле идея черной дыры намного старше. В 1784 году Джон Мичелл утверждал, что если свет действительно представляет собой поток частиц (как предполагала теория Исаака Ньютона), то на него должна влиять гравитация. Следуя этому предположению, Мичелл предсказал, что звезда в 500 раз шире Солнца будет иметь такое сильное гравитационное поле, что даже свет не сможет убежать. Он назвал эти объекты «темными звездами».
Тем не менее, они оставались теоретическим любопытством в течение почти трех столетий, пока космические телескопы, наконец, не смогли исследовать высокоэнергетическое рентгеновское излучение звезд и газа в окрестностях этих экстремальных объектов.
Эйнштейн также предсказал гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, испускаемую во время самых мощных событий во Вселенной, таких как сближение и слияние пар черных дыр. Слияние черных дыр было впервые обнаружено в 2015 году LIGO, Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, которая измерила гравитационные волны, созданные гигантским столкновением.
Что касается первого прямого изображения черной дыры, то в 2019 году телескоп Event Horizon сфотографировал темный силуэт черной дыры, отбрасываемый на свет материи в ее непосредственном окружении. Затем в 2021 году XMM-Newton ЕКА увидел рентгеновский свет из-за черной дыры, что позволило им изучить процессы, происходящие на ее обратной стороне.
Миссии ЕКА по исследованию черных дыр
XMM-Ньютон
ESA в настоящее время управляет двумя высокоэнергетическими космическими обсерваториями: XMM-Newton и Integral. Вместе эти телескопы исследуют высокоэнергетическое излучение материи вблизи черных дыр.
С момента своего запуска в 1999 году рентгеновская обсерватория XMM-Newton помогла ученым исследовать некоторые из самых жестоких и загадочных космических явлений, включая взаимодействие черных дыр с окружающей их средой. XMM-Newton также исследовал происхождение мощных взрывов, известных как гамма-всплески, которые, как считается, вызваны черными дырами.
интеграл
Интеграл – или Интернационал G амма- R ай A Строфизическая L лаборатория – первая космическая обсерватория, которая может одновременно наблюдать объекты в гамма-лучах, видимом свете, рентгеновском . Его основные цели включают гамма-всплески и области во Вселенной, которые, как считается, содержат черные дыры. Интеграл помогает нам понять черную дыру в центре Млечного Пути, а также в центрах других галактик.
Заглядывая в будущее, миссии ЕКА LISA и Athena будут работать как по отдельности, так и вместе для решения фундаментальных вопросов современной астрофизики. Вместе этот дуэт может многое рассказать об удаленных и сливающихся черных дырах, ярких квазарах в активных галактиках, быстрых джетах вокруг вращающихся черных дыр, шкале космических расстояний и скорости гравитации.
Объединив большой рентгеновский телескоп с самыми современными научными приборами, Athena затронет ключевые вопросы астрофизики, например, как черные дыры растут и формируют свои галактики. Athena будет наблюдать за сотнями тысяч черных дыр, от относительно близких до далеких, и наносить на карту горячую материю в миллионы градусов в их окрестностях. Сюда входят черные дыры, образовавшиеся в первые несколько сотен миллионов лет долгой истории Вселенной.
LISA станет первой космической обсерваторией, предназначенной для изучения гравитационных волн, некоторые из которых можно обнаружить только с помощью космической обсерватории, простирающейся на миллионы километров. Используя эти волны, LISA станет первой миссией, исследующей всю историю Вселенной. Состоящая из трех космических аппаратов, летящих треугольным строем, LISA поможет нам исследовать фундаментальную природу гравитации и черных дыр.
Хотя XMM-Newton, Integral, Athena и Lisa являются наиболее специализированными миссиями ЕКА по изучению черных дыр, другие миссии также вносят большой вклад. Например, космический телескоп NASA/ESA/CSA James Webb поможет ответить на вопрос «сформировались ли черные дыры сразу после Большого взрыва?», космический телескоп NASA/ESA Hubble обнаружил черные дыры в три миллиарда раз массивнее нашего Солнца.