В черных дырах могут быть вселенные. Рассказываем о новом открытии
Астрофизики показали, что в заряженных черных дырах теоретически могут существовать экзотические фрактальные объекты и множество других необычных вещей. Разбираемся, что мы вообще знаем о черных дырах теперь.
Что такое черные дыры?
Черные дыры — массивные космические объекты. Увидеть их почти невозможно, поскольку они не отражают свет, даже, наоборот, поглощают его в прямом смысле слова. Их сила притяжения настолько велика, что даже лучи света не могут устоять, и они попадают под влияние дыры. Поэтому вокруг нее «изображение» космоса нам кажется расплывчатым и искаженным. Это видно на картинке выше.
Черные дыры — не черные шары, какими мы привыкли видеть их. Они прозрачные, но оставляют черную тень. Это даже не дыра, а шарообразный поглотитель всего, что попадает под влияние его гравитации.
Как возникают черные дыры?
Звезды, превышающие массу и размеры нашего Солнца во много раз, в конце своей жизни взрываются и образуют либо нейтронную звезду, либо начинают сильно сжиматься, словно «падая» внутрь себя, стремительно уменьшая свои размеры при неизменной массе. Плотность материи в сжимаемой точке становится очень высокой, соответственно, гравитация сильно увеличивается. Когда размер звезды становится настолько мал и плотность настолько высока в одном месте, она «проваливается» внутрь себя, в результате чего появляется черная дыра.
Черная дыра, например, массой с одно Солнце будет по размеру меньше, чем наше светило.
Однако такие маленькие звезды, как наше Солнце, не превратятся в конце жизненного цикла в черную дыру — их масса недостаточна даже для взрыва и образования сверхновой. Взрыв, конечно, будет, однако на финальном этапе маленькие звезды превращаются в белых карликов — в очень маленькие и горячие звездочки, которые тоже вскоре затухнут.
В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр
- Лучше всего изучен тот, что связан 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 они 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 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.
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, 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.
Где находятся черные дыры?
Чаще всего они расположены в центре галактик. Они имеют большую силу притяжения, благодаря чему им удается удерживать звездные системы на очень большом расстоянии, образуя галактики, известные нам сейчас.
В центре нашего Млечного пути тоже есть сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А*. Она тяжелее Солнца в 4.02 млн раза, а радиус ее ≈ 45 астрономическим единицам (одна астрономическая единица = одному расстоянию от Земли до Солнца).
Помимо сверхмассивных черных дыр в центрах галактики есть и «локальные», образующиеся после кончины массивных звезд.
Что внутри черной дыры?
Никто не знает наверняка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, то уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, общую теорию относительности лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнано, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Почему внутри черной дыры могут быть вселенные?
Существует множество гипотетических черных дыр — с электрическим зарядом или без него, вращающиеся или неподвижные, окруженные материей или плавающие в пустом пространстве. Некоторые из этих гипотетических черных дыр наверняка существуют в нашей Вселенной. Например, вращающаяся черная дыра, окруженная падающей материей — довольно распространенный тип этих объектов.
Но некоторые другие виды черных дыр являются чисто теоретическими. Описать их поведение и свойства можно, полагаясь только на математические методы. Одним из таких объектов является электрически заряженная черная дыра, окруженная антидеситтеровским пространством. Этот вид пространства имеет постоянную отрицательную геометрическую кривизну и похож по форме на седло.
Такого пространства в нашей Вселенной не существует, но его существование в теории открывает множество интересных эффектов, которые можно исследовать. Одна из причин, по которой это стоит исследовать, заключается в том, что заряженные черные дыры имеют много общего с вращающимися черными дырами, существующими в нашей Вселенной.
Авторы нового исследования обнаружили, что когда такие черные дыры становятся относительно холодными, они создают «туман» из квантовых полей вокруг своей поверхности. На поверхности объекта этот туман поддерживает гравитация черной дыры, но выталкивает наружу электрическое поле. В результате в таком тумане формируется сверхпроводящая среда. У таких черных дыр помимо обычного горизонта событий есть еще и внутренний горизонт. Благодаря этому в заряженные черные дыры можно проникнуть и не разорваться на атомы.
Ученые показали, что по ту сторону заряженной черной дыры вас могут ждать загадочные эффекты. Исследователи обнаружили, что самые внутренние области сверхпроводящей черной дыры могут представлять собой расширяющуюся Вселенную — место, где пространство может растягиваться и деформироваться с разной скоростью в разных направлениях.
Более того, в зависимости от температуры черной дыры в некоторых из этих областей пространства может произойти новый виток колебаний, который затем создаст еще один участок расширяющегося пространства, он вызовет новый виток колебаний, который затем создаст новый участок расширяющегося пространства, и так далее до бесконечности. Это будет фрактальная мини-Вселенная, бесконечно повторяющаяся с уменьшением размеров.
Источник
Смогут ли Черные дыры поглотить Вселенную
Огромные, голодные и невидимые! Черные дыры представляются нам скрытыми чудовищами Вселенной, которые поглощают буквально все вокруг. Страшно оказаться рядом с таким объектом. Но могут ли черные дыры поглотить Вселенную и сделают ли это когда-нибудь?
Давайте разберемся в этом вопросе. Вселенная считается бесконечным пространством, поэтому, согласитесь, поглотить ее крайне сложно. Как минимум, мы нуждаемся в огромном количестве черных дыр. Сколько их?
Исследование галактик и математические подсчеты показывают, что в центре каждой галактики мы сможем найти по одной сверхмассивной черной дыре. В космическом пространстве можно отыскать 100-200 млрд. галактик (как минимум), а значит, столько существует и сверхмассивных чудовищ. Но это лишь сверхмассивный тип. Есть и обычные черные дыры, которых намного больше!
И их количество постоянно увеличивается. Чтобы создать черную дыру, понадобится смерть массивной звезды, столкновение нейтронных звезд или коллапс огромного количества газа или центральной галактической части. В теории, каждую секунду рождается новая черная дыра. Хорошо, значит этих невидимых угроз невероятное множество. Тогда почему наша Вселенная все еще цела?
Размер крупнейшей из известных черных дыр
Начнем с того, что черные дыры – не такие уж и чудовища. Да, их гравитация настолько сильна, что даже свет не способен убежать. Но это не значит, что перед нами гравитационный пылесос, который всосет в себя всю Вселенную.
У черных дыр есть предел влияния. Речь идет о горизонте событий. Если объект перейдет черту, то с ним покончено (поглотится, разорвется и т.д.). Но многие звезды, планеты и прочие космические тела окружают черные дыры и не приближаются на опасную дистанцию, оставляя черные дыры голодными.
Хорошо, но ведь черные дыры питаются, увеличиваются в массе и должны расширяться. А значит, возрастает их влияние. Так? Не совсем. Ученые в теории знают, что происходит расширение и увеличение массы и воздействия на материю вокруг, но этого не наблюдается на практике. И это странно, ведь черные дыры существуют давно и должны были поглотить столько материи, чтобы выйти за пределы собственной галактики. Почему этого не происходит?
Здесь можно вспомнить излучение Хокинга. Известный физик-теоретик считал, что на микроскопическом уровне материя все же вырывается из черной дыры, хотя поглощение все равно превышает количество высвободившегося вещества.
Интересной кажется теория физика-теоретика Леонарда Сасскинда. Он верил, что черные дыры расширяются, но внутрь, а не наружу. Мы просто не способны зафиксировать это расширение, поэтому черные дыры и не увеличиваются в размерах, которые мы могли бы наблюдать.
Выходит, что черные дыры (пусть даже сверхмассивные) все же не способны разорвать и поглотить все космическое пространство. Но ведь одна из теорий смерти Вселенной гласит, что на предфинальном этапе останутся только черные дыры. Да, но это не потому, что они поглотили все остальные объекты.
Дело в том, что у звезд есть собственный эволюционный путь, зависящий от конкретного типа. Некоторые станут коричневыми карликами, другие черными дырами и т.д. Новые звезды не будут рождаться, потому что закончится необходимый материал в виде газа и пыли. Так что будущая Вселенная будет представлять собою мрачное место со сталкивающимися и сливающимися черными дырами.
Но и они не будут вечными. Спустя 10^100 лет должна умереть последняя черная дыра. Здесь мы снова вернемся к теории излучения Хокинга. Высвобождение небольшого количества материи истощает черные дыры, поэтому они уменьшаются и испаряются (в теории). Сейчас это мелочи, потому что они поглощают больше, чем излучают. Но в будущем не станет звезд, пыли и газа для подпитки.
Так что ответ: нет, черные дыры не поглотят Вселенную. Но среди известных нам объектов, они станут последними свидетелями гибели космического пространства, уступив место фотонам и элементарным частичкам.
Источник
Могут ли чёрные дыры перенести нас в другие миры?
Чёрные дыры будоражат умы не только учёных, но и людей, не связанных непосредственно с наукой. Один из вопросов, который мало кого оставит равнодушным, заключается в том, могут ли чёрные дыры переносить нас на огромные расстояния, ведь они сильно искривляют пространство за счёт своей массы? Совсем экзотическая идея заключается в том, что чёрные дыры могут быть порталами в другие вселенные.
Реальность, судя по всему, гораздо сложнее, а за пределами научно-фантастического мира падение в чёрную дыру — плохая идея.
Часто используемая аналогия — это сгибание листа бумаги. Крайние, или любые другие точки этой линии можно соединить, изогнув лист. Понимание того, как это работает во Вселенной требует хотя бы небольшого погружения в теорию относительности применительно к гравитации. Давайте попробуем.
Важно понимать, что чёрная дыра — это не пустое пространство, а, скорее, место, где огромное количество материи помещается в крошечную область, называемую сингулярностью, которая бесконечно мала и плотна (тут есть разные варианты, но остановимся на этом).
По мере приближения к чёрной дыре, скорость убегания — скорость, необходимая для того, чтобы избежать её гравитации, — возрастает. В какой-то момент скорость убегания превышает скорость света.
Ну а поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может покинуть чёрную дыру. Правда, есть одна лазейка: чёрная дыра не всасывает всё вокруг себя, как пылесос или слив в ванной.
Воздействие её гравитации простирается только до её горизонта событий, радиус которого увеличивается по мере того, как всё больше материи попадает в чёрную дыру.
Что находится внутри горизонта событий — одна из самых больших загадок в астрофизике. Большинство учёных считают, что вся материя, попадающая в чёрную дыру, сжимается в точку с бесконечной плотностью.
Если бы вы упали в чёрную дыру, согласно общепринятым представлениям, вы бы сначала растянулись под действием приливных сил, а затем сжались в ничто, добавив массы чёрной дыре, и увеличив радиус её горизонта событий.
Затем вы будете выброшены во Вселенную в виде фотонов излучения Хокинга. Небольшая по космическим меркам чёрная дыра, массой Солнца, испарится, превратившись во всплеск гамма-лучей, согласно расчётам, за 10^87 лет. При этом никакой информации о материи, попавшей некогда в чёрную дыру, не сохраняется.
Когда чёрная дыра становится червоточиной?
Проблема заключается в том, что уравнения теории относительности «ломаются» о сингулярность чёрной дыры, так как она является царством квантово-механических эффектов, которые до сих пор никто не смог объединить с гравитацией. Как итог, никто не знает, что представляет собой сингулярность.
Сингулярность, и без того нечто крайне странное, становится ещё страннее, если вспомнить, что во Вселенной не существует статичных объектов — всё вращается.
Если и сингулярность вращается достаточно быстро, она может приобрести форму кольца, а тут сегодняшняя наука вообще бессильна. Эта идея, кстати, неплохо обыграна в научно-фантастическом романе Стивена Бакстера «Кольцо» 1994 года.
Все эти предположения предположениями и останутся до тех пор, пока не будет разработана теория квантовой гравитации.
Более того, никто до сих пор не наблюдал вещества, появляющегося из неоткуда, как это могло бы быть, будь чёрные дыры червоточинами. Помимо прочего, одним из следствий существования червоточин является возможность путешествий во времени.
Тут, правда, следует отметить, что даже в теории относительности нет такого понятия, как «сейчас». Отправившись в одну точку пространства, вернувшись затем в исходную, вы можете прибыть раньше, чем отправились в своё путешествие. Здравствуйте, парадоксы!
Как итог, речь, судя по всему, лишь о том, что мы по-прежнему плохо понимаем устройство Вселенной. Но согласитесь, что отсутствие возможности преодолеть эти огромные космические расстояния за разумное время, никак не укладывается в голове.
Подписывайтесь на S&F , канал в Telegram и чат для дискуссий на научные темы.
Источник