Чёрная дыра - точка невозврата во Вселенной. Открытие черных дыр
Черные дыры: открытия, свойства, интересные факты
Содержание:
Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, с момента своего открытия привлекают внимание ученых мужей и будоражат фантазию писателей-фантастов. Что же такое черные дыры и что они из себя представляют? Черные дыры – это погаснувшие звезды, в силу своих физических особенностей, обладающие настолько высокой плотностью и настолько мощной гравитацией, что даже свету не удается вырваться за их пределы.
История открытия черных дыр
Впервые теоретическое существование черных дыр, еще задолго до их фактического открытия предположил некто Д. Мичел (английский священник из графства Йоркшир, на досуге увлекающийся астрономией) в далеком 1783 году. По его расчетам, если наше Солнце взять и сжать (говоря современным компьютерным языком — заархивировать) до радиуса в 3 км., образуется настолько большая (просто огромная) сила гравитации, что даже свет не сможет ее покинуть. Так и появилось понятие «черная дыра», хотя на самом деле она вовсе не черная, на наш взгляд более подходящим был бы термин «темная дыра», ведь имеет место именно отсутствие света.
Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.
Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.
Так выглядит черная дыра.
Как образуются черные дыры в космосе
Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды световых лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.
Черная дыра поглощает звезду.
Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.
Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы световых лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.
Сколько черных дыр существует во Вселенной
Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего — 2,5 миллиона световых лет.
Теория черных дыр
Не смотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз превосходит массу нашего Солнца) и невероятной силы гравитацию увидеть черные дыры в телескоп было не просто, ведь они совсем не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» — поглощения другой звезды, в этот момент появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.
Свойства черных дыр
Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.
А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.
Что если человек попадет в черную дыру
Испарение черных дыр
Английский астроном С. Хокинг открыл интересный факт: черные дыры также, оказывается, выделяют испарение. Правда это касается только дыр сравнительно небольшой массы. Мощная гравитация около них рождает пары частиц и античастиц, один из пары втягивается дырой внутрь, а второй исторгается наружу. Таким образом, черная дыра излучает жесткие античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры было названо на честь ученого, открывшего его – «излучение Хокинга».
Самая большая черная дыра
Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.
NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.
NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.
Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.
Самая маленькая черная дыра
Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.
Черные дыры — каннибалы
Да, есть такое явление, как мы писали выше, черные дыры являются своего рода «галактическими пылесосами», поглощающими все вокруг себя, и в том числе и… другие черные дыры. Недавно астрономами было обнаружено поедание черной дыры из одной галактике еще большой черной обжорой из другой галактики.
Интересные факты про черные дыры
- Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
- Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
- Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
- Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.
Черные дыры на канале Discovery, видео
И в завершение предлагаем вам интересный научно-документальный фильм о черных дырах от канала Discovery
www.poznavayka.org
История открытия черных дыр
Гипотеза существования черных дыр была впервые выдвинута английским астрономом Дж. Мичеллом в 1783 г. на основе корпускулярной теории света и ньютоновской теории тяготения. В то время волновая теория Гюйгенса и его знаменитый волновой принцип были просто забыты. Не помогла волновой теории поддержка некоторых маститых ученых, в частности известных петербургских академиков М.В. Ломоносова и Л. Эйлера. Логика рассуждений, приведшая Мичелла к понятию черной дыры, очень проста: если свет состоит из частиц-корпускул светоносного эфира, то эти частицы должны испытывать, подобно другим телам, притяжение со стороны гравитационного поля. Следовательно, чем массивнее звезда (или планета), тем большее притяжение с ее стороны должны испытывать корпускулы и тем труднее свету покинуть поверхность такого тела.
Дальнейшая логика подсказывает, что в природе могут существовать такие массивные звезды, притяжение которых корпускулы уже не смогут преодолеть, и они всегда будут казаться черными для внешнего наблюдателя, хотя сами по себе могут светиться ослепительным блеском, как Солнце. Физически это значит, что вторая космическая скорость на поверхности такой звезды должна быть не меньше скорости света. Вычисления Мичелла дают, что свет никогда не покинет звезду, если ее радиус при средней солнечной плотности будет равен 500 солнечным. Вот такую звезду и можно уже назвать черной дырой.
Через 13 лет французский математик и астроном П.С. Лаплас высказал, скорее всего, независимо от Мичелла, аналогичную гипотезу о существовании подобных экзотических объектов. Используя громоздкий метод вычисления, Лаплас нашел радиус шара для заданной его плотности, на поверхности которого параболическая скорость равна скорости света. По мнению Лапласа, корпускулы света, будучи тяготеющими частицами, должны задерживаться испускающими свет массивными звездами, которые имеют плотность, равную плотности Земли, а радиус больше солнечного в 250 раз.
Эта теория Лапласа вошла только в первые два прижизненных издания его знаменитой книги «Изложение системы мира», вышедшей в свет в 1796 и 1799 гг. Да, пожалуй, еще австрийский астроном Ф. К. фон Цах заинтересовался теорией Лапласа, опубликовав ее в 1798 г. под названием «Доказательство теоремы о том, что сила притяжения тяжелого тела может быть столь большой, что свет не может истекать из него».
На этом история исследования черных дыр приостановилась более чем на 100 лет. Похоже, сам Лаплас тихо отказался от столь экстравагантной гипотезы, поскольку он ее исключил из всех остальных прижизненных изданий своей книги, которая выходила в 1808, 1813 и 1824 гг. Возможно, Лаплас не хотел больше тиражировать почти фантастическую гипотезу о колоссальных звездах, не выпускающих свет. Возможно, его остановили новые астрономические данные о неизменности величины аберрации света у разных звезд, что противоречило некоторым выводам его теории, на основании которой он строил свои вычисления. Но наиболее вероятной причиной того, что о загадочных гипотетических объектах Мичелла—Лапласа все забыли, является торжество волновой теории света, триумфальное шествие которой началось с первых лет XIX в.
Начало этого триумфа положила Букеровская лекция английского физика Т. Юнга «Теория света и цвета», опубликованная в 1801 г., где Юнг смело, вопреки Ньютону и другим знаменитым сторонникам корпускулярной теории (в том числе и Лапласу), изложил сущность волновой теории света, говоря, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира. Лаплас, окрыленный открытием поляризации света, принялся «спасать» корпускулы, построив теорию двойного лучепреломления света в кристаллах на основе двоякого действия молекул кристалла на световые корпускулы. Но последующие труды физиков О.Ж. Френеля, Ф.Д. Арагон, Й. Фраунгофера и других камня на камне не оставили от корпускулярной теории, о которой серьезно вспомнили лишь спустя столетие, после открытия квантов. Все рассуждения о черных дырах в рамках волновой теории света в то время выглядели нелепо.
Сразу не вспомнили о черных дырах и после «реабилитации» корпускулярной теории света, когда о ней заговорили на новом качественном уровне благодаря гипотезе квантов (1900) и фотонов (1905). Черные дыры были вторично переоткрыты лишь после создания ОТО в 1916 г., когда немецкий физик-теоретик и астроном К. Шварцшильд через несколько месяцев после публикации уравнений Эйнштейна с их помощью исследовал структуру искривленного пространства-времени в окрестности Солнца. В итоге он заново открыл феномен черных дыр, но на более глубоком уровне.
Окончательное теоретическое открытие черных дыр состоялось в 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер провели первое явное решение уравнений Эйнштейна при описании процесса формирования черной дыры из сжимающегося облака пыли. Сам термин «черная дыра» впервые был введен в науку американским физиком Дж. Уиллером в 1968 г., в годы бурного возрождения интереса к ОТО, космологии и астрофизике, вызванного достижениями внеатмосферной (в частности, рентгеновской) астрономии, открытием реликтового излучения, пульсаров и квазаров.
Похожие записи:Черная дыра в космосе: откуда она возникает
Черная дыра в представлении художника
По причине относительно недавнего роста интереса к созданию научно-популярных фильмов на тему освоения космоса современный зритель наслышан о таких явлениях как сингулярность, антигравитация, темная материя или черная дыра. Однако, кинофильмы, очевидно, не раскрывают всей природы этих явлений, а иногда даже искажают построенные научные теории для большей эффектности. По этой причине представление многих современных людей о указанных явлениях либо совсем поверхностно, либо вовсе ошибочно. Одним из решений возникшей проблемы является данная статья, в которой мы попытаемся разобраться в существующих результатах исследований и ответить на вопрос – что такое черная дыра?
Возникновение теории черных дыр
В 1784-м году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл впервые упомянул в письме Королевскому обществу некое гипотетическое массивное тело, которое имеет настолько сильное гравитационное притяжение, что вторая космическая скорость для него будет превышать скорость света. Вторая космическая скорость – это скорость, которая потребуется относительно малому объекту, чтобы преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и выйти за пределы замкнутой орбиты вокруг этого тела. Согласно его расчетам, тело с плотностью Солнца и с радиусом в 500 солнечных радиусов будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость равную скорости света. В таком случае даже свет не будет покидать поверхность такого тела, а потому данное тело будет лишь поглощать поступающий свет и останется незаметным для наблюдателя – неким черным пятном на фоне темного космоса.
Однако, концепция сверхмассивного тела, предложенная Мичеллом, не привлекала к себе большого интереса, вплоть до работ Эйнштейна. Напомним, что последний определил скорость света как предельную скорость передачи информации. Кроме того, Эйнштейн расширил теорию тяготения для скоростей близких к скорости света (ОТО). В результате этого к черным дырам уже было не актуально применять ньютоновскую теорию.
Уравнение Эйнштейна
В результате применения ОТО к черным дырам и решения уравнений Эйнштейна были выявлены основные параметры черной дыры, которых всего три: масса, электрический заряд и момент импульса. Следует отметить значительный вклад индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара, который создал фундаментальную монографию: «Математическая теория чёрных дыр».
Таким образом решение уравнений Эйнштейна представлено четырьмя вариантами для четырех возможных видов черных дыр:
- ЧД без вращения и без заряда – решение Шварцшильда. Одно из первых описаний черной дыры (1916 год) при помощи уравнений Эйнштейна, однако без учета двух из трех параметров тела. Решение немецкого физика Карла Шварцшильда позволяет высчитать внешнее гравитационное поле сферического массивного тела. Особенность концепции ЧД немецкого ученого состоит в наличии горизонта событий и скрывающейся за ним сингулярности. Также Шварцшильд впервые вычислил гравитационный радиус, получивший его имя, определяющий радиус сферы, на которой располагался бы горизонт событий для тела с данной массой.
- ЧД без вращения с зарядом – решение Рейснера-Нордстрёма. Решение, выдвинутое в 1916-1918 годах, учитывающее возможный электрический заряд черной дыры. Данный заряд не может быть сколь угодно большим и ограничен по причине возникающего электрического отталкивания. Последнее должно компенсироваться гравитационным притяжением.
- ЧД с вращением и без заряда – решение Керра (1963 год). Вращающаяся черная дыра Керра отличается от статичной, наличием так называемой эргосферы (об этой и др. составных черной дыры – читайте далее).
- ЧД с вращением и с зарядом — Решение Керра — Ньюмена. Данное решение было вычислено в 1965-м году и на данный момент является наиболее полным, так как учитывает все три параметра ЧД. Однако, все же предполагается, что в природе черные дыры имеют несущественный заряд.
Образование черной дыры
Существует несколько теорий о том, как образуется и появляется черная дыра, наиболее известная из которых – возникновение в результате гравитационного коллапса звезды с достаточной массой. Таким сжатием может заканчиваться эволюция звезд с массой более трех масс Солнца. По завершению термоядерных реакций внутри таких звезд они начинают ускоренно сжиматься в сверхплотную нейтронную звезду. Если давление газа нейтронной звезды не может компенсировать гравитационные силы, то есть масса звезды преодолевает т.н. предел Оппенгеймера — Волкова, то коллапс продолжается, в результате чего материя сжимается в черную дыру.
Второй сценарий, описывающий рождение черной дыры – сжатие протогалактического газа, то есть межзвездного газа, находящегося на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. В случае недостаточного внутреннего давления для компенсации тех же гравитационных сил может возникнуть черная дыра.
Два других сценария остаются гипотетическими:
- Возникновение ЧД в результате Большого взрыва – т.н. первичные черные дыры.
- Возникновение в результате протекания ядерных реакций при высоких энергиях. Пример таких реакций – эксперименты на коллайдерах.
Структура и физика черных дыр
Структура черной дыры по Шварцшильду включает всего два элемента, о которых упоминалось ранее: сингулярность и горизонт событий черной дыры. Кратко говоря о сингулярности, можно отметить, что через нее невозможно провести прямую линию, а также, что внутри нее большинство существующих физических теорий не работают. Таким образом, физика сингулярности на сегодня остается загадкой для ученых. Горизонт событий черной дыры – это некая граница, пересекая которую, физический объект теряет возможность вернуться обратно за ее пределы и однозначно «упадет» в сингулярность черной дыры.
Реалистичный концепт аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры
Строение черной дыры несколько усложняется в случае решения Керра, а именно при наличии вращения ЧД. Решение Керра подразумевает наличие у дыры эргосферы. Эргосфера – некая область, находящаяся снаружи горизонта событий, внутри которой все тела движутся по направлению вращения черной дыры. Данную область еще не является захватывающей и ее возможно покинуть, в отличие от горизонта событий. Эргосфера, вероятно, является неким аналогом аккреционного диска, представляющего вращающееся вещество вокруг массивных тел. Если статичная черная дыра Шварцшильда представляется в виде черной сферы, то ЧД Керри, в силу наличия эргосферы, имеет форму сплюснутого эллипсоида, в виде которого мы часто видели ЧД на рисунках, в старых кинофильмах или видеоиграх.
Рассмотрим далее некоторые свойства черных дыр, которую зачастую интересуют читателя:
- Сколько весит черная дыра? – Наибольший теоретический материал по возникновению черной дыры имеется для сценария ее появления в результате коллапса звезды. В таком случае максимальная масса нейтронной звезды и минимальная масса черной дыры определяется пределом Оппенгеймера — Волкова, согласно которому нижний предел массы ЧД составляет 2.5 – 3 массы Солнца. Самая тяжелая черная дыра, которую удалось обнаружить (в галактике NGC 4889) имеет массу 21 млрд масс Солнца. Однако, не стоит забывать и о ЧД, гипотетически возникающих в результате ядерных реакций при высоких энергиях, вроде тех, что на коллайдерах. Масса таких квантовых черных дыр, иначе говоря «планковских черных дыр» имеет порядок планковской массы, а именно 2·10−5г.
- Размер черной дыры. Минимальный радиус ЧД можно вычислить из минимальной масса (2.5 – 3 массы Солнца). Если гравитационный радиус Солнца, то есть область, где находился бы горизонт событий, составляет около 2,95 км, то минимальный радиус ЧД 3-х солнечных масс будет около девяти километров. Такие относительно малые размеры не укладываются в голове, когда речь идет о массивных объектах, притягивающих все вокруг. Однако, для квантовых черных дыр радиус равен планковской длине — 10−35 м.
- Средняя плотность черной дыры зависит от двух параметров: массы и радиуса. Плотность черной дыры с массой порядка трех масс Солнца составляет около 6 ·1026 кг/м³, тогда как плотность воды 1000 кг/м³. Однако, столь малые черные дыры не были найдены учеными. Большинство обнаруженных ЧД имеют массу более 105 масс Солнца. Существует интересная закономерность, согласно которой чем массивнее черная дыра, тем меньше ее плотность. При этом изменение массы на 11 порядков влечет изменение плотность на 22 порядка. Таким образом черная дыра массой 1 ·109 солнечных масс имеет плотность 18.5 кг/м³, что на единицу меньше плотности золота. А ЧД массой более 1010 масс Солнца могут иметь среднюю плотность меньше плотности воздуха. Исходя из этих расчетов логично предположить, что образование черной дыры происходит не по причине сжатия вещества, а в результате накопление большого количества материи в некотором объеме. В случае с квантовыми ЧД, их плотность может составлять около 1094 кг/м³.
- Температура черной дыры также обратно пропорционально зависит от ее массы. Данная температура непосредственно связана с излучением Хокинга. Спектр этого излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела, то есть тела, что поглощает все падающее излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела зависит только от его температуры, тогда температуру ЧД можно определить по спектру излучения Хокинга. Как было сказано выше, данное излучение тем мощнее, чем меньше черная дыра. При этом излучение Хокинга остается гипотетическим, так как еще не наблюдалось астрономами. Из этого следует, что если излучение Хокинга существует, то температура наблюдаемых ЧД столь мала, что не позволяет зарегистрировать указанное излучение. Согласно расчетам даже температура дыры с массой порядка массы Солнца – пренебрежительно мала (1 ·10-7К или -272°C). Температура же квантовых черных дыр может достигать порядка 1012 К и при их скором испарении (около 1.5 мин.) такие ЧД могут испускать энергию порядка десяти миллионов атомных бомб. Но, к счастью, для создания таких гипотетических объектов потребуется энергия в 1014 раз больше той, которая достигнута сегодня на Большом адронном коллайдере. Кроме того, подобные явления ни разу не наблюдались астрономами.
Из чего состоит ЧД?
Еще один вопрос волнует, как ученых, так и тех, кто просто увлекается астрофизикой — из чего состоит черная дыра? На этот вопрос нет однозначного ответа, так как за горизонт событий, окружающий любую черную дыру, заглянуть не представляется возможным. Кроме того, как уже говорилось ранее, теоретические модели черной дыры предусматривают всего 3 ее составных: эргосфера, горизонт событий и сингулярность. Логично предположить, что в эргосфере имеются лишь те объекты, которые были притянуты черной дырой, и которые теперь вращаются вокруг нее – разного рода космические тела и космический газ. Горизонт событий – лишь тонкая неявная граница, попав за которую, те же космические тела безвозвратно притягиваются в сторону последней основной составляющей ЧД – сингулярности. Природа сингулярности сегодня не изучена и о ее составе говорить еще рано.
Согласно некоторым предположениям черная дыра может состоять из нейтронов. Если следовать сценарию возникновения ЧД в следствие сжатия звезды до нейтронной звезды с последующим ее сжатием, то, вероятно, основная часть черной дыры состоит из нейтронов, из которых состоит и сама нейтронная звезда. Простыми словами: при коллапсе звезды ее атомы сжимаются таким образом, что электроны соединяются с протонами, тем самым образуя нейтроны. Подобная реакция действительно имеет место в природе, при этом с образованием нейтрона происходит излучение нейтрино. Однако, это лишь предположения.
Что будет если попасть в черную дыру?
Спагеттификация
Падение в астрофизическую черную дыру приводит к растяжению тела. Рассмотрим гипотетического космонавта-смертника, который направился в черную дыру в одном лишь скафандре ногами вперед. Пересекая горизонт событий, космонавт не заметит никаких изменений, несмотря на то, что выбраться обратно у него уже нет возможности. В некоторый момент космонавт достигнет точки (немного позади горизонта событий), в которой начнет происходить деформация его тела. Так как гравитационное поле черной дыры неоднородно и представлено возрастающим по направлению к центру градиентом силы, то ноги космонавта подвергнутся заметно большему гравитационному воздействию, чем, например, голова. Тогда за счет гравитации, вернее – приливных сил, ноги будут «падать» быстрее. Таким образом тело начинает постепенно вытягиваться в длину. Для описания подобного явления астрофизики придумали довольно креативный термин – спагеттификация. Дальнейшее растяжение тела, вероятно, разложит его на атомы, которые, рано или поздно достигнут сингулярности. О том, что будет чувствовать человек в данной ситуации – остается только гадать. Стоит отметить, что эффект растяжения тела обратно пропорционален массе черной дыры. То есть если ЧД с массой трех Солнц мгновенно растянет/разорвет тело, то сверхмассивная черная дыра будет иметь меньшие приливные силы и, есть предположения, что некоторые физические материалы могли бы «стерпеть» подобную деформацию, не потеряв свою структуру.
Как известно, вблизи массивных объектов время течет медленней, а значит время для космонавта-смертника будет течь значительно медленней, чем для землян. В таком случае, возможно, он переживет не только своих друзей, но и саму Землю. Для определения того, насколько замедлится время для космонавта потребуются расчеты, однако из вышесказанного можно предположить, что космонавт будет падать в ЧД очень медленно и, возможно, просто не доживет до того момента, когда его тело начнет деформироваться.
Примечательно, что для наблюдателя снаружи все тела, подлетевшие к горизонту событий, так и останутся у края этого горизонта до тех пор, пока не пропадет их изображение. Причиной подобного явления является гравитационное красное смещение. Несколько упрощая, можно сказать, что свет, падающий на тело космонавта-смертника «застывшего» у горизонта событий будет менять свою частоту в связи с его замедленным временем. Так как время идет медленней, то частота света будет уменьшаться, а длина волны – увеличиваться. В результате этого явления, на выходе, то есть для внешнего наблюдателя, свет постепенно будет смещаться в сторону низкочастотного – красного. Смещение света по спектру будет иметь место, так как космонав
spacegid.com
10 новых удивительных открытий, связанных с черными дырами
Черные дыры являются, пожалуй, самыми странными и загадочными объектами в известной нам Вселенной. Их никто не видел, но ученые уверены в том, что они существуют. Они не только предсказаны Эйнштейном, их присутствие косвенно подтверждается тем влиянием, которое они оказывают на окружающее их пространство-время. Кое-что нам об этих объектах все-таки известно, но еще больше – неизвестно. По мнению ученых, понимание феномена черных дыр и в частности тех процессов, что происходят в их центрах, позволит нам не только понять, но и даст нам возможность управлять самими фундаментальными силами природы, например, той же гравитацией.
Каждый год ученые сообщают об открытиях, связанных с черными дырами, шаг за шагом, позволяющих приблизится к понимаю их природы. Сегодня поговорим о десятке самых последних.
Множество черных дыр промежуточной массы
Среди семейства черных дыр, пожалуй, больше всех выделяются так называемые черные дыры средней (или промежуточной) массы. Это черные дыры, масса которых значительно больше, чем масса черных дыр звездной величины (от 10 до нескольких десятков масс Солнца), но гораздо меньше, чем у сверхмассивных черных дыр (от миллиона до сотен миллионов масс Солнца). Ранее предполагалось, что этот вид черных дыр встречается существенно реже двух других указанных классов, однако недавнее открытие опровергло это мнение.
В 2018 году ученые нашли место, где чаще всего встречаются такие объекты. По необъяснимым пока причинам чаще всего черные дыры средней массы встречаются в центрах маленьких галактик. Как только ученые это выяснили, редкий вид черных дыр перестал быть редким. Более того, это открытие, возможно, поможет решить еще одну загадку, связанную с черными дырами.
Одним из наиболее актуальных вопросов современной астрономии является природа сверхмассивных черных дыр. Ученые не могут понять, как некоторые из обнаруженных сверхмассивных черных дыр в относительно компактных галактиках очень быстро выросли в размерах с момента Большого взрыва. Указать на правильный ответ могут те самые черные дыры средней массы. Согласно одному из предположений, сверхмассивные черные дыры могли вырасти из черных дыр средней массы, согласно другому — они таким родились изначально. Но как? Точного ответа ученые предоставить пока не могут, но, похоже, начинают двигаться в правильном направлении.
Загадочные объекты рядом со Стрельцом А*
Стрелец А* — это сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей галактики. В начале 2000-х рядом с ней ученые обнаружили два загадочных объекта. Их прозвали объектами G-класса и первоначально приняли за газопылевые облака. Загадка началась после того, как эти объекты приблизились к черной дыре. Вместо того чтобы быть разорванными мощной гравитацией сверхмассивной черной дыры, объекты G1 и G2 смогли каким-то образом уцелеть.
В 2018 году ученые обнаружили еще три объекта G-класса (G3, G4, G5) рядом со Стрельцом А*. Анализ собранных за 12 лет данных окончательно картину для астрономов не прояснил. Объекты привлекают к себе внимание своими необычными свойствами. Все пять G-объектов имеют характерные визуальные признаки газовых облаков, но при этом ведут себя как звезды с огромной массой.
Исходя из этого ученые сделали предположение, что столкнулись с очень редким типом звезд, нехарактерных для нашей галактики. Появление этих объектов ученые объясняют уникальными условиями в окрестностях сверхмассивной черной дыры: здесь под действием мощной гравитации может происходить схлопывание двойных звезд с образованием единого, крупного, окутанного толстыми газопылевыми оболочками объекта. Тем не менее ученые отмечают, что не все объекты имеют схожие орбиты вокруг черной дыры, поэтому точно объяснить природу увиденного явления они пока не могут.
Самая древняя черная дыра
Открытие самой древней черной дыры – это не просто вопрос возраста. Обнаружение этого старичка может помочь нам решить множество интересных загадок, связанных с той эпохой, когда первые звезды во Вселенной только начали зажигаться.
По мнению ученых, обнаруженная в 2017 году черная дыра ULAS J1342+0928 появилась на свет спустя всего около 690 миллионов лет после Большого взрыва. Когда возраст космоса составлял всего 5 процентов от нынешнего, масса этой черной дыры уже в 800 миллионов раз превышала массу нашего сегодняшнего Солнца.
Объект расположен примерно в 13,1 миллиарда световых лет от Земли и сформировался в ранний период становления Вселенной. Этот период часто называют эпохой реионизации, когда за счет гравитационного притяжения начали появляться первые звезды, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Полная картина реионизации по-прежнему ученым непонятна, поэтому появившиеся в этот период черные дыры безусловно могут являться одними из самых интересных источников новой информации.
Как уже отмечалось выше, ученые также не могут понять, каким образом за столь короткий срок после Большого взрыва черные дыры смогли накопить огромное количество массы. Объекты подобные ULAS J1342+0928 могут пролить свет на этот вопрос, однако для того чтобы делать какие-то выводы, было бы неплохо найти хотя бы еще несколько подобных космических динозавров. К сожалению, черные дыры эпохи реионизации встречаются крайне редко.
Самая быстрорастущая черная дыра
В 2018 году ученые обнаружили самую «голодную» черную дыру в известной нам Вселенной. Каждый день ежесекундно она потребляет массу эквивалентную массе нашего Солнца, за счет чего еще и быстро разрастается. К счастью для нас, она находится очень далеко. Если бы этот монстр находился в центре Млечного Пути, то создаваемое им рентгеновское излучение стерилизовало бы Землю от любой жизни.
Когда ученые обнаружили первый свет от квазара J2157-3602, связанного с этой черной дырой, то его возраст был оценен в 12 миллиардов лет. Как только ученые подтвердили, что рядом с квазаром действительно находится черная дыра, ее масса уже составляла порядка 20 миллиардов солнечных масс. На данный момент астрономы не могут объяснить причину столько быстрого роста черной дыры.Единственное, что известно об этом объекте, так это то, что его аппетиты разогревают окружающий газ и пыль до таких состояний, что их яркость легко затмит свет практически всех звезд на небе.
Скрытое скопление
В одном галактическом скоплении могут находиться сотни и даже тысячи галактик. Эти скопления рассматриваются учеными в качестве одних из самых больших объектов во Вселенной. Думаете такую громадину невозможно скрыть одним единственным космическим объектом? Ошибаетесь. Один квазар доказал обратное.
Обнаруженный объект получил название PKS1353-341 и изначально подразумевался отдельной галактикой, с невероятно яркой центральной областью. Однако астрономы Массачусетского технологического института в 2018 году открыли правду, которая скрывалась в течение нескольких десятилетий с момента обнаружения этого объекта. Оказалось, что объект представляет собой не галактику, а один единственный квазар (область раскаленного газа, окружающего сверхмассивную черную дыру), который находится в центре целого галактического скопления, расположенного в 2,4 миллиарда световых лет от Земли.
Квазар оказался настолько ярким, что в буквальном смысле затмил все окружающее пространство, содержащее сотни галактик. Ученые из MIT рассчитали его яркость и оказалось, что она в 46 миллиардов раз превышает яркость Солнца. По мнению исследователей, такая экстремальная яркость связана с поглощением центральной сверхмассивной черной дырой большого количества окружающего ее материала.
Двойные системы
Еще одной загадкой для ученых являются так называемые двойные, то есть парные черные дыры, оборачивающиеся вокруг друг друга. Случаи столкновения черных дыр ученые уже отмечали в прошлом. Два были определены в 2015 году, еще один – в 2017-м. Что удивительно, благодаря последнему ученые впервые стали прямыми свидетелями не менее редкого явления.
В полученном сигнале столкновения двух черных дыр были отмечены признаки гравитационной ряби пространства-времени — изменения гравитационного поля, распространяющегося подобно волнам. Обе черные дыры при этом не были уничтожены, но вместо этого слились в единое целое – сверхмассивную черную дыру, по размерам еще больше, чем ее прародители.
По поводу природы появления систем из двойных черных дыр у ученых имеется два предположения. Согласно одному, двойные черные дыры появляются при гибели двойных систем звезд. Согласно второй – черные дыры формируются независимо друг от друга и уже после, дрейфуя в космосе, притягиваются друг другу под действием гравитационных сил.
Смертоносный пузырь
В 2018 году физики предположили еще один сценарий апокалипсиса: Земля может быть уничтожена с помощью черных дыр. Годом ранее научный мир праздновал подтверждение открытия гравитационных волн – феномена, растягивающего и сжимающего ткань реальности. Эта сила смертоносна.
В новой теории, ученые из Принстонского университета предсказали один из сценариев того, что может произойти, если в результате высокоэнергетических космических катаклизмов (например, при слиянии двух черных дыр или двух нейтронных звезд), появившиеся гравитационные волны столкнуться между собой.
Гравитационные волны для иллюстрации примера часто сравнивают с кругами на воде, которые возникают, если бросить камень. Однако, если частица или объект движется со скоростью света, могут появиться плоские гравитационные волны. По мнению ученых, если волны будут достаточно большими, тогда их столкновение может создать гигантскую черную дыру, которая изменит пространство и время на огромной площади космического пространства.
Если это произойдет рядом с Землей, то не только всему живому, но и самой планете и всей Солнечной системе придет конец.
Черная дыра-изгой
Ученые не раз задавались вопросом о возможности «выброса» галактиками своих центральных черных дыр. Однако долгое время доказательств этого явления астрономы не могли обнаружить. Но в 2017 году галактика 3C186 преподнесла исследователям космоса настоящий сюрприз.
По мнению ученых, раньше галактика 3C186 представляла собой две отдельные галактики, которые в какой-то период своей истории слились в одну. Новая галактика обрела вполне явные очертания и форму, вместо предполагаемого беспорядочного строения, но главный сюрприз преподнес ее центр: ученые, полные надежд найти в нем сверхмассивную черную дыру, вообще ничего не нашли.
Позже черная дыра все-таки обнаружилась, только в 35 000 световых годах от галактического центра 3C186. Когда произошло столкновение двух звездных скоплений, столкнулись и их центральные галактические черные дыры, что в итоге привело к появлению сверхмассивной черной дыры. Данное событие, вероятнее всего, создало очень мощные гравитационные волны, которые эту новообразованную черную дыру и вытолкнули из галактики, объясняют ученые.
Сделать это, впрочем, оказалось не так-то просто, продолжают исследователи. Для выброса черной дыры из галактического центра потребовалось энергия, эквивалентная взрыву 100 миллионов сверхновых. Ученые до сих пор не разобрались в том, что же там произошло на самом деле, но уже становится понятным, что существуют силы, способные противостоять даже мощи самих черных дыр.
Что интересно, черная дыра-изгой продолжает двигаться к границам своей галактики. При текущих темпах она будет полностью выброшена за ее пределы примерно через 20 миллионов лет.
Обратный ход времени
Черные дыры образуются, когда происходит гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды, либо коллапс центральной части галактики или протогалактического газа. В этот момент в космос выбрасывается колоссальный объем гамма излучения. Последнее в свою очередь представляет собой наиболее яркое электромагнитное события, происходящие во Вселенной и до сих пор не до конца изучено учеными.
В 2018 году в пойманных сигналах гамма-излучения были обнаружены весьма странные признаки, которые, по мнению исследователей из NASA, можно интерпретировать как «обратный ход времени». Обычно при каждом событии гамма-выброса происходит излучение волны с определенной сигнатурой, которое никогда не повторяется. В обнаруженных же сигналах содержались аномалии, которые, как оказалось, невозможно объяснить с позиции ни одной теоретической модели. Эти сигналы представляли собой особые волнообразные структуры, которые были повернуты во времени так, как будто их начало находилось в конце вспышки, а конец — в первые мгновения выброса.
Для некоторых физиков подобного наблюдения оказалось достаточно для того, чтобы заявить о свидетельстве обратного хода времени. Согласно же другому и, скорее всего, более реальному объяснению, лучи гамма-выброса на своем пути могли столкнуться с некоей материей, наделившей волны сигнатурой, которая была принята учеными за обратный ход времени. Вполне возможно, что лучи ударились о некое скопление материи, которая подействовала на них как отражающая поверхность. Тем не менее не исключается возможность, что речь идет о совершенно новом законе физики, первым примером которого стали ученые в 2018 году.
Призраки погибших вселенных
В августе этого года британский физик Оксфордского университета Роджер Пенроуз сделал весьма громкое заявление. Он и его команда утверждают, что до появления нашей Вселенной, то есть до Большого взрыва, существовала другая вселенная. На такой вывод ученых натолкнул ряд наблюдаемых световых аномалий в микроволновом фоновом излучении, которые, по словам Пенроуза, представляют собой световые спирали, оставшиеся от черных дыр, принадлежавших предыдущей вселенной, существовавшей до Большого взрыва.
В одной из своих теорий еще более знаменитый британский физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры, после того, как потеряют основную массу своих частиц, пропадают. Эти гипотетические частицы носят название гравитонов. Они не имеют массы, электрического и иного заряда, но при этом обладают энергией и поэтому участвуют в гравитационном взаимодействии.
Когда одна вселенная погибает и появляется новая, эти гравитоны, как считает, Пенроуз, становятся частью новой вселенной. Ученый и его коллеги убеждены, что обнаружили эти уцелевшие «остатки» в микроволновом фоновом излучении. Они назвали обнаруженные световые аномалии «точками Стивена Хокинга». Если наблюдения ученых подтвердятся, нас ждет серьезная редактура теории Большого взрыва.
Поделиться своим мнением об этих открытиях вы можете не только в комментариях, но и в нашем официальном Telegram-чате Hi-News.ru.
hi-news.ru
Астрономы раскрыли один из секретов рождения "плевков" черных дыр
МОСКВА, 31 окт – РИА Новости. Наблюдения за недавно проснувшейся черной дырой V404 в созвездии Лебедя помогли ученым приблизиться к раскрытию загадки рождения "плевков" черных дыр и понять, когда эти выбросы плазмы начинают светиться, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.
"Системы, в которых черная дыра соседствует с обычной звездой, подобные V404, являются отличным "полигоном" для изучения свойств их выбросов. Нам удалось увидеть, что вспышки света, порождаемые этими пучками плазмы, формируются на высоте в 40 тысяч километров над горизонтом событий черной дыры, что позволило нам проверить и отбросить часть теорий, описывающих формирование джетов", — заявил Вик Диллон (Vik Dhillon) из университета Шеффилда (Великобритания).
Астрономы из МГУ получили первое фото "плевка" черной дыры Сверхмассивные черные дыры существуют в центре практически любой галактики. В отличие от черных дыр, возникающих при коллапсе звезд, их масса в несколько миллионов раз больше солнечной. Они периодически поглощают звезды, другие небесные тела и газ, и выбрасывают часть захваченной материи в виде джетов — пучков разогретой плазмы, движущихся с околосветовой скоростью.
Как возникают эти пучки, ученые пока не знают. Часть астрофизиков предполагает, что их разгоняет и направляет в стороны от черной дыры сильнейшее магнитное поле в диске аккреции – "бублике" из перемолотой материи, окружающей горизонт событий. Другие ученые считают, что в этом процессе замешана сама черная дыра, или какие-то неизвестные нам феномены, связанные с ее существованием.
Диллон и его коллеги обнаружили, что джеты начинают излучать свет практически сразу после своего рождения, что не соответствует ряду альтернативных объяснений природы этих структур, наблюдая за поведением черной дыры V404, неожиданно проснувшейся в июле 2015 года, при помощи орбитального рентгеновского телескопа NuSTAR и ряда наземных обсерваторий.
Астрономы выяснили, почему "плевки" черных дыр нарушают скорость света Эти наблюдения помогли ученым выяснить, что джет становится видимым в разных частях спектра не в один и тот же момент времени, а с очень небольшой задержкой – сначала сигнал был зафиксирован NuSTAR, и примерно через 0,13 секунды свечение черной дыры стало заметным для наземных телескопов, работающих в оптическом диапазоне.
Это означает, что "плевок" черной дыры начинает светиться не сразу, а лишь тогда, когда его материя удалится на примерно 30-40 тысяч километров от горизонта событий черной дыры. Аналогичным образом, как обнаружили ученые, ведут себя "плевки" сверхмассивных черных дыр, что указывает на общие механизмы рождения этих пучков плазмы, не зависящие от размеров и массы этих объектов.
Ученые сняли на видео пробуждение черной дыры-"монстра" V404 Лебедя Подобный вывод, как объясняют астрофизики, автоматически исключает ряд теорий, связывающих рождение джетов с появлением особых областей нестабильности в диске аккреции, а также несколько других альтернативных объяснений их существования. Дальнейшие наблюдения за пробуждениями V404 и открытие других подобных черных дыр, как надеются ученые, поможет нам понять, как рождаются джеты и как они влияют на окружающий космос.
ria.ru
Чёрная дыра - точка невозврата во Вселенной
Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.
Из истории чёрных дыр
1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.
1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.
(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")
1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".
1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".
Наше время. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к Чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даст огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.
Чем на самом деле являются чёрные дыры
Лаконичное объяснение феномена звучит так. Чёрная дыр — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.
Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.
- 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
- 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
- 3. Чёрная дыра
- 4. Детальная схема региона чёрной дыры
- 5. Размер найденных новых наблюдений
Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.
Радиус Шварцшильда
Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.
- 1. Движущаяся материя в половину скорости света
- 2. Фотонное кольцо
- 3. Внутреннее фотонное кольцо
- 4. Горизонт событий в чёрной дыре
Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.
Как происходит падение в чёрную дыру
(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)
Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.
По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.
- 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
- 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.
- 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.
- 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
- 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.
Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако
(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)
Что там внутри чёрной дыры?
Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.
Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.
И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.
Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.
Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.
xn----8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai
10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый
Черные дыры — это, пожалуй, самые загадочные объекты Вселенной. Если, конечно, где-то в глубинах не скрываются вещи, о существовании которых мы не знаем и знать не можем, что вряд ли. Черные дыры — это колоссальная масса и плотность, сжатая в одну точку небольшого радиуса. Физические свойства этих объектов настолько странные, что заставляют ломать голову самых искушенных физиков и астрофизиков. Сабина Хоссфендер, физик-теоретик, сделала подборку десяти фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.
Что такое черная дыра?
Определяющим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, преодолев которую ничто, даже свет, не сможет вернуться обратно. Если отделенная область становится отделенной навсегда, мы говорим о «горизонте событий». Если же она только временно отделена, мы говорим о «видимом горизонте». Но это «временно» также может означать, что область будет отделенной гораздо дольше нынешнего возраста Вселенной. Если горизонт черной дыры является временным, но долгоживущим, разница между первым и вторым расплывается.
Насколько большие черные дыры?
Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра. По сравнению со звездными объектами, впрочем, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.
Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.
Что происходит на горизонте?
Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все из-за принципа эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницу между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, создающим кривизну пространства. Тем не менее наблюдатель вдали от черной дыры, который наблюдает за тем, как кто-то другой падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, подходя к горизонту. Будто бы время вблизи горизонта событий движется медленнее, чем вдали от горизонта. Однако пройдет некоторое время, и падающий в дыру наблюдатель пересечет горизонт событий и окажется внутри радиуса Шварцшильда.
То, что вы испытываете на горизонте, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше силы. И если только черная дыра будет достаточно массивна, вы сможете преодолеть горизонт еще до того, как заметите, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил растянет вас: технический термин, который для этого используют физики, называется «спагеттификация».
В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но это оказалось не так.
Что внутри черной дыры?
Никто не знает наверняка, но точно не книжная полка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, вы уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, ОТО лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнанно, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Как образуются черные дыры?
В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр. Лучше всего понимаем связанный со звездным коллапсом. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже можно было синтезировать, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, вещество начинает проваливаться к собственному гравитационному центру, становясь все более плотным. В конце концов, оно настолько уплотняется, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: так рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы» и наиболее распространены.
Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.
Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.
Наконец, есть очень умозрительная идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.
Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?
У нас есть много наблюдательных доказательств существования компактных объектов с крупными массами, которые не излучают свет. Эти объекты выдают себя по гравитационному притяжению, например, за счет движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационное линзирование. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это вытекает из наблюдений, потому что вещество, падая на объект с поверхностью, должно вызывать выброс большего числа частиц, чем вещество, падающее сквозь горизонт.
Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?
Он имел в виду, что черные дыры не имеют вечного горизонта событий, а только временный кажущийся горизонт (см. пункт первый). В строгом смысле только горизонт событий считается черной дырой.
Как черные дыры испускают излучение?
Черные дыры испускают излучение за счет квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты вещества, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время коллапсирующей черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависимо от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, падающий в черную дыру, думает, что падает в вакуум, наблюдатель далеко от черной дыры думает, что это не вакуум, а полное частиц пространство. Именно растяжение пространства-времени вызывает этот эффект.
Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом, испускаемое черной дырой излучение называется «излучением Хокинга». Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. У звездных и сверхмассивных черных дыр, которые мы знаем, температура значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдается.
Что такое информационный парадокс?
Парадокс потери информации обусловлен излучением Хокинга. Это излучение сугубо термическое, то есть случайно и из определенных свойств имеет только температуру. Излучение само по себе не содержит никакой информации о том, как сформировалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сокращается. Все это совершенно не зависит от вещества, которое стало частью черной дыры или из которого она образовалась. Выходит, зная только конечное состояние испарения нельзя сказать, из чего сформировалась черная дыра. Этот процесс «необратим» — и загвоздка в том, что в квантовой механике нет такого процесса.
Выходит, испарение черной дыры несовместимо с квантовой теории, известной нам, и с этим нужно что-то делать. Каким-то образом устранить несогласованность. Большинство физиков считают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга должно каким-то образом содержать информацию.
Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?
Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.
На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.
hi-news.ru
