Содержание
5 теорий о том, что происходит внутри черной дыры
В физике черных дыр используется термин «горизонт событий». Это мнимая граница вокруг центра черной дыры, где гравитация настолько высока, что ее пределы не могут покинуть даже кванты света. Собственно, поэтому черные дыры и называют «черными».
Заглянуть за горизонт событий невозможно, но что-то же там должно происходить!
Есть несколько научных теорий. Вот некоторые из них.
1. Удлинение по-итальянски
Одна из теорий гласит, что материя внутри черной дыры не стремится к центру по кратчайшему пути, а находится в состоянии очень быстро вращающегося вихря. Провалившись в черную дыру, ты очень сильно удлинишься и будешь вращаться вокруг центра. Ученые назвали этот процесс «спагеттификация».
В пользу этой теории говорят процессы, которые происходят прямо за пределами горизонта событий, и ученые предполагают, что за его пределами эффект остается.
2. Пан пропал, но обещал вернуться антипаном
Теорию информационного парадокса черных дыр сформулировал Стивен Хокинг. Он предположил, что из объятий черной дыры кое-чему все-таки удается вырваться, это кое-что — излучение. А раз есть излучение, значит, со временем черные дыры сходят на нет. При этом с точки зрения квантовой механики черная дыра — неразрушаемый объект, он не может исчезнуть.
Иными словами, согласно общей теории относительности и идеям Максвелла и Эйнштейна, ты в виде набора информации остаешься в черной дыре навсегда. А по мнению Хокинга, ты все же вернешься в наш мир в виде излучения (имени Хокинга).
В рамках этой теории очень сложно рассуждать в терминах вроде «выживет ли космонавт». Речь идет о сохранении квантовых чисел, то есть зарядов элементарных частиц, а также о переходах из материи в антиматерию и обратно.
Хотя понять это все равно проще, чем сюжет фильма «Тенет».
3. Заходим, не стесняемся
Самая позитивная теория: в черной дыре с тобой не случится ничего плохого. Ученые только-только подтвердили само существование черных дыр, но во многих аспектах это все еще сильно теоретизированный космический объект.
Мы знаем наверняка, что за пределы горизонта событий не выходит свет. Не исключено, что это касается только света, а сам сверхмассивный гравитационный объект находится глубоко за горизонтом событий. Зонд или звездолет сможет легко влететь внутрь, разведать, что там и как, и свободно вылететь обратно.
4. Белая дыра
Помнишь старый глупый анекдот про двух блондинок и холодильник?
Блондинка выключает свет в комнате и спрашивает другую: «Видишь, свет пропал! А знаешь куда он делся?» Вторая недоумевает: «Нет! А куда?» Первая, открывая холодильник: «А вот где он!»
Представь себе, что это реальная история, однако спорили не блондинки, а Альберт Эйнштейн со Стивеном Хокингом. А холодильник — черная дыра.
Если черная дыра не выпускает за свои пределы свет, то что же тогда с ним происходит внутри черной дыры? Одна из теорий утверждает, что внутри черных дыр в действительности находятся другие вселенные, но, в в отличие от нашей вселенной, в сжатом виде. А мета-вселенная — это матрешка из вселенных.
5. Поживи в одной вселенной и получи вторую в подарок
Обычно о параллельных вселенных мечтают фантасты, но эту гипотезу высказал Стивен Хокинг. Он не исключил, что состояние сингулярности черной дыры — это на самом деле альтернативная пространственно-временная реальность. Или, иначе говоря, параллельная вселенная. В отличие от предыдущей теории, эта вселенная действительно параллельная, но не вложенная одна в другую.
Если теория верна, то через черные дыры все же удастся безболезненно попадать в другие миры. Но вернуться ты вряд ли сможешь.
Читай также: «Физики заявили, что нашли способ решить парадокс кота Шрёдингера».
Разгадан главный парадокс Стивена Хокинга о черных дырах
Ученые заявили, что им удалось решить один из самых больших парадоксов в науке. Впервые он был озвучен профессором Стивеном Хокингом и касался черных дыр. По мнению ученого, поведение черных дыр противоречит двум фундаментальным теориям. Новое исследование утверждает, что разрешило этот парадокс, показав, что черные дыры обладают свойством, известным как «квантовый волос».
Черные дыры оказались «волосатыми»
Черные дыры — это мертвые звезды, которые схлопнулись и обладают настолько сильной гравитацией, что даже свет не может вырваться из них. В первой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи показали, что черные дыры более сложны, чем предполагалось изначально. У них есть гравитационные поля, содержащие информацию о том, как они образовались. Исследователи показали, что вещество, схлопывающееся в черную дыру, оставляет след в ее гравитационном поле — отпечаток, называемый «квантовым волосом».
Парадокс Стивена Хокинга
Парадокс Хокинга объясняется следующим образом: согласно правилам квантовой физики, информация сохраняется и не может быть уничтожена. Это бросает вызов закону Хокинга. Потому что, как только объект попадает в черную дыру, он исчезает навсегда — вместе с любой закодированной в нем информацией. Это явление несовместимо с общими принципами квантовой механики, что представляет собой серьезнейшую проблему. Хокинг определил этот парадокс, и на протяжении десятилетий продолжал сбивать ученых с толку.
Профессор Ксавьер Кальметт из Университета Сассекса, руководивший работой, объяснил, что после десятилетнего труда над математикой, лежащей в основе проблемы, его команда за последний год добилась быстрого прогресса. Это вселило в них уверенность и, наконец, проблема была решена.
Варианты решения
Было предложено множество решений. Например, «теория брандмауэра», согласно которой информация должна была «сгореть» перед попаданием в черную дыру. Согласно «теории пушистых шаров», черные дыры имеют размытые границы и различные ответвления струн. Но большинство этих предложений требовало переписывания законов квантовой механики или теории гравитации Эйнштейна — двух столпов современной физики.
Новая теория «квантовой поэзии» претендует на разрешение парадокса, преодолевая разрыв между общей теорией относительности и квантовой механикой, используя новую математическую формулу. Название является намеком на мнение, основанное на классической физике, что черные дыры можно считать удивительно простыми объектами, определяемыми только их массой и скоростью вращения. Предсказание о «безликих лысых черных дырах» с 1970-х годов называют «теоремой об отсутствии волос».
«
Волосатые» черные дыры
Кальметт и его сотрудники считают, что черная дыра более сложна. Они предполагают, что когда материя коллапсирует в черную дыру, она оставляет слабый отпечаток в ее гравитационном поле. Этот отпечаток называется «квантовым волосом». Авторы говорят, что он обеспечит механизм сохранения информации во время коллапса черной дыры. Согласно этой теории, две черные дыры с одинаковыми массами и радиусами, но с разной внутренней конфигурацией, будут иметь очень тонкие различия в своих гравитационных полях.
На данный момент не существует очевидного способа проверить теорию астрономическими наблюдениями. Все потому, что гравитационные флуктуации слишком малы, чтобы их можно было измерить. Но теория, скорее всего, подвергнется тщательному анализу со стороны научного сообщества.
Если «теорема о квантовых волосах» черных дыр выдержит проверку, это может стать первым шагом в объединении общей теории относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Это является еще одной нерешенной проблемой физики.
Напомним, что ранее во Млечном Пути найдена блуждающая черная дыра.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
открытия Стивен Хокинг теория относительности Черная дыра
Черные дыры: все, что вам нужно знать
Черные дыры — одни из самых удивительных объектов в космосе.
(Изображение предоставлено: solarseven через Getty Images)
Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки.
Млечный Путь может содержать более 100 миллионов черных дыр, хотя обнаружить этих прожорливых зверей очень сложно. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А*. Колоссальное сооружение примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца и расположено примерно в 26 000 световых лет на расстоянии от Земли , согласно заявлению НАСА (открывается в новой вкладке).
Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT). Поразительное фото черной дыры в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли взволновало ученых всего мира.
Связанный: Белые дыры: что мы знаем о забытых близнецах черных дыр
Открытие черной дыры
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности. Термин «черная дыра» был придуман много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий черные дыры были известны только как теоретические объекты.
Первой обнаруженной черной дырой была Лебедь X-1, расположенная в Млечном Пути в созвездии Лебедя. По данным НАСА, астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения . В 1971 астрономы определили, что рентгеновские лучи исходят от ярко-голубой звезды, вращающейся вокруг странного темного объекта. Было высказано предположение, что обнаруженные рентгеновские лучи были результатом того, что звездный материал отрывался от яркой звезды и «поглощался» темным объектом — всепоглощающей черной дырой.
Сколько существует черных дыр?
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (Sgr A*). (Изображение предоставлено: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI)
По данным Научного института космического телескопа (STScI), примерно одна из каждой тысячи звезд имеет достаточную массу, чтобы стать черной дырой. Поскольку Млечный Путь содержит более 100 миллиардов характеристик, в нашей родной галактике должно быть около 100 миллионов черных дыр.
Хотя обнаружение черных дыр — сложная задача, по оценкам НАСА , в Млечном Пути может быть от 10 миллионов до миллиарда звездных черных дыр.
Ближайшая к Земле черная дыра называется «Единорог» и находится примерно в 1500 световых годах от нас. Прозвище имеет двойное значение. Мало того, что кандидат в черные дыры находится в созвездии Единорога («единорог»), его невероятно малая масса — примерно в три раза больше массы Солнца — делает его почти единственным в своем роде.
Связанный: Сколько черных дыр во Вселенной?
Изображения черной дыры
Телескоп горизонта событий, массив планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, созданный в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT)
В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры. EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, в то время как телескоп изучал горизонт событий или область, за которую ничто не может уйти от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.
В 2021 году астрономы показали новый вид гигантской черной дыры в центре M87, показывающий, как выглядит колоссальная структура в поляризованном свете. Поскольку поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом, новое изображение показывает черную дыру еще более подробно. Поляризация — это признак магнитных полей, и изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено.
После публикации первого изображения черной дыры в 2019 году, астрономы получили новый поляризованный вид черной дыры. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT)
(открывается в новой вкладке)
Как выглядят черные дыры?
Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может покинуть его. Гравитация постоянна на горизонте событий.
Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.
Ученые не могут видеть черные дыры так же, как звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение радиации, испускаемой черными дырами, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густым слоем пыли и газа вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.
Истории по теме:
Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отлетает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не затягивается в пасть. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.
Изображение черной дыры в M87, сделанное EHT (опубликовано в 2019 году), потребовало невероятных усилий, потребовавших двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что сотрудничество телескопов, которое охватывает множество обсерваторий по всему миру, дает поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через Интернет.
Со временем исследователи рассчитывают получить изображения других черных дыр и создать хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, будет Стрелец A*, черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность, сообщается в исследовании 2019 года. Другое исследование того же года показало, что Стрелец А* окружен холодным газовым ореолом, что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.
Схема анатомии черной дыры ESO показывает, как выглядит черная дыра, и помечает различные компоненты. (Изображение предоставлено ESO)
Типы черных дыр
На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.
Звездные черные дыры — маленькие, но смертоносные
Когда звезда сгорает до конца своего топлива, объект может разрушиться или упасть сам на себя. Для меньших звезд (тех, которые примерно в три раза Солнца с массой ), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда более крупная звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.
Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов упаковывает массу, более чем в три раза превышающую массу Солнца, в диаметре города. Это приводит к безумной гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что заставляет их расти в размерах.
Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но преобладают их родственники, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.
Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за схлопывание и быстрое накопление массы. Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда группа звезд падает вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать по его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться напрямую.
Промежуточные черные дыры
Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (ЧДЧД). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких IMBH, сформировавшихся в одном и том же регионе, могут в конечном итоге собраться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру промежуточной массы в рукаве спиральная галактика . А в 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить его.
«Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера», — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Соединенном Королевстве . «Были намеки на то, что они существуют, но IMBH вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли».
Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность, характерную для черных дыр, что свидетельствует о наличии черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных. Информация поступила из Слоановского цифрового обзора неба, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать вид света, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.
Двойные черные дыры: двойная проблема
Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры с черной дырой-компаньоном, вращающейся вокруг нее. (Изображение предоставлено: Caltech-IPAC)
В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.
«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружил LIGO», — Дэвид Шумейкер, представитель научного сотрудничества LIGO ( LSC), говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.
Существует две теории образования бинарных черных дыр. Первая предполагает, что две черные дыры в бинарной системе сформировались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывом примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию вращения, как и две оставшиеся черные дыры.
Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. По данным LIGO Scientific Collaboration, эти компаньоны будут иметь случайную ориентацию вращения по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спина дают более убедительные доказательства этой теории формирования.
«Мы начинаем собирать реальную статистику о двойных системах черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в Хэнфордской обсерватории LIGO. «Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр даже сейчас несколько предпочтительнее других, и в будущем мы можем еще больше сузить круг».
Факты о черных дырах
- Теория давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature , предполагает, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать подобно стене огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
- Черные дыры не отстой. Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, чем массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
- Первым объектом, считающимся черной дырой, является Лебедь X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
- Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые регионы в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
- Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может быть разорвана на части (откроется в новой вкладке).
- По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр с массой примерно в три раза больше солнечной.
- Черные дыры остаются прекрасным материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.
Дополнительные ресурсы
Погрузитесь глубже в тайну черных дыр (открывается в новой вкладке) вместе с NASA Science. Посмотрите видео и узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) на сайте NASA Hubble. Узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) вместе с Национальным научным фондом.
Библиография
Сайт Хаббла: Черные дыры: Беспощадное притяжение гравитации, интерактивный (открывается в новой вкладке): Энциклопедия. ГНИЦ Главная. Проверено 6 мая 2022 г.
НАСА. Представьте вселенную! (откроется в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.
Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*. НАСА. Проверено 6 мая 2022 года .
Чандра НАСА находит интригующего члена генеалогического древа черной дыры. (открывается в новой вкладке) Рентгеновская обсерватория Чандра. (2015, 25 февраля). Проверено 6 мая 2022 г.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Twitter на @NolaTRedd
.
Что такое черная дыра?
Объекты настолько массивные, что от них не может ускользнуть даже свет
Первое изображение черной дыры, полученное в апреле 2019 года
Черные дыры — это объекты с интенсивным гравитационным притяжением, настолько сильным, что даже лучи света, самые быстрые вещи во Вселенной, не могут улететь. Это делает их невозможными для непосредственного наблюдения, поэтому астрономам приходится использовать множество хитрых методов, чтобы подтвердить, что они действительно существуют.
За последние несколько лет впечатляющие наблюдения с использованием детекторов гравитационных волн и обширных массивов телескопов дали нам достаточно веские основания полагать, что черные дыры скрываются где-то там, во тьме. В 2019 году мы даже сняли одного на камеру., когда мы, наконец, сфотографировали «горизонт событий», который отмечает точку, из которой нельзя выбраться из черной дыры. Но почему нас это волнует?
Черные дыры — это железные предсказания общей теории относительности, несравненной теории гравитации Эйнштейна, и все же они растягивают ее до предела. Общая теория относительности говорит, что материя искажает пространство и время; черные дыры — это просто очень плотные скопления материи. Но это не просто. Уравнения общей теории относительности катастрофически терпят неудачу в центре черной дыры, известной как ее сингулярность, где искривление пространства-времени просто зашкаливает.
Даже Эйнштейн считал эти космические объекты слишком абсурдными, чтобы быть реальными. Хотя мы не можем их видеть, мы делаем вывод об их присутствии по их влиянию на близлежащую материю, поскольку они всасывают газ, пыль и звезды, искривления которых создают потрясающие световые шоу. В 2015 году, когда мы впервые обнаружили гравитационные волны, наблюдаемая рябь в пространстве-времени совпала с предсказанным сигналом от двух черных дыр, вращающихся друг в друге и сливающихся.
Реклама
Проблемы начинаются с горизонта событий. Чтобы разобраться в мельчайших подробностях того, что там происходит, вам нужно привнести в картину квантовую теорию, но, как известно, квантовая теория и общая теория относительности ни в чем не согласны. Общая теория относительности говорит, что когда материя падает в черную дыру, информация уничтожается, но квантовая механика твердо утверждает, что этого не может быть.