Черные дыры. Факты и теория
Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных тел во Вселенной. Они являются объектами с чрезвычайно высокой плотностью. И обладают таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может убежать от их чудовищных объятий.
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теорией относительности. Термин «черная дыра» был придуман в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером. Впервые был использован в 1971 году.
Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.
Обычные черные дыры. Небольшие, но смертельные
Когда звезда сжигает свое последнее топливо, она сильно уменьшается в размерах. Небольшие звезды, имеющие массы примерно в три раза больше массы Солнца, превращаются в нейтронные звезды или белые карлики. Но когда коллапсирует звезда побольше, она продолжает сжиматься и создает обычную черную дыру.
Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд относительно невелики. Но имеют невероятную плотность. Такой объект содержит три массы Солнца в области размером с небольшой город. Такая плотность материи приводит к возникновению колоссального гравитационного поля. Черные дыры поглощают пыль и газ из пространства вокруг себя. И поэтому растут в размерах.
Согласно данным исследования Гарвардско-Смитсоновского Центра астрофизики, наша галактика Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов черных дыр.
Супермассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленьких черных дыр достаточно много во Вселенной. Однако доминируют в пространстве дыры побольше. Супермассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз тяжелее, чем Солнце. Но имеют радиус, близкий к радиусу ближайшей звезды к Земле. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые пока до конца не определились, как именно возникают такие крупные черные дыры. Как только они рождаются, они, возможно, начинают набирать массу из пыли и газа вокруг себя. То есть того материала, который изобилует в центре галактик. И это позволяет им вырастать до огромных размеров.
Супермассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч небольших черных дыр. Большие газовые облака также могут быть вовлечены в этот процесс. Они позволяют черным дырам быстро наращивать массу. Третий вариант — крах звездного кластера, когда группа звезд коллапсирует одновременно.
Промежуточные черные дыры — застрявшие посередине
Ученые когда-то считали, что черные дыры имеют только малые и большие размеры. Но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в кластере сталкиваются по цепной реакции. Некоторые из этих звезд, образовавшихся в одной и той же области пространства, в конечном итоге могут коллапсировать вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили объект, оказавшийся черной дырой промежуточной массы. Он находится в рукаве спиральной галактики.
Теория черных дыр — как они работают
Черные дыры невероятно массивны. Но при этом занимают небольшую область пространства. Между массой и гравитацией существует прямая связь. Это означает, что они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Практически ничто не может уйти от них. В классической физике даже свет, попадая в черную дыру, не может покинуть ее.
Такое сильное притяжение создает проблему наблюдения, когда дело доходит до черных дыр. Ученые просто не могут «видеть» их так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Для обнаружения этих объектов ученые полагаются на излучение, которое испускается, когда пыль и газ поглощается черной дырой. Супермассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут оказаться окутаны пылью и газом, находящимися вокруг них. Это может блокировать наблюдение контрольных выбросов.
Иногда, когда материя двигается к черной дыре, она рикошетом покидает горизонт событий и вылетает наружу, а не втягивается внутрь. Создаются яркие струи материала, движущегося с практически релятивистскими скоростями. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.
Горизонт событий
Черные дыры имеют три «слоя» — внешний, горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры — это то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть черную дыру. На горизонте событий гравитация постоянна.
Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известна как сингулярность. Это единственная точка в пространстве — времени, где сосредоточена масса черной дыры.
По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица. Это частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица-античастица может аннигилировать.
Если пара частица-античастица создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.
Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.
Сияющий свет двойных черных дыр
В 2015 году астрономы, использующие гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента наблюдалось несколько других подобных инцидентов. Гравитационные волны, замеченные LIGO, возникли от слияния небольших черных дыр.
Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращается по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении. Или направления вращения могут быть совершенно разными.
Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первая предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время, от двух звезд. Они могли родиться вместе и погибнуть примерно одновременно. Звезды-компаньоны имели бы похожее направление вращения. Поэтому черные дыры, которые они оставили, тоже вращались бы подобным образом.
По второй модели черные дыры в звездном кластере опускаются в его центр и соединяются. У этих компаньонов были бы случайные ориентации спина по сравнению друг с другом. Наблюдения черных дыр с различной ориентацией спина, произведенные с помощью LIGO, дают более убедительные доказательства этой теории образования.
Интересные факты о черных дырах
Ваша смерть наступит прежде, чем вы достигнете сингулярности. Исследование 2012 года предполагает, что квантовые эффекты приведут к тому, что горизонт событий будет действовать как стена огня, мгновенно сжигая вас до смерти.
Черные дыры не «засасывают». Всасывание вызвано выталкиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты просто попадают в них.
Первым объектом, считающимся обнаруженной черной дырой, является Cygnus X-1. С В 1971 году ученые обнаружили радиоизлучение, исходящие от Cygnus X-1. Был обнаружен массивный скрытый объект, который был идентифицирован как черная дыра.
Cygnus X-1 был предметом товарищеского спора 1974 года между Стивеном Хокингом и физиком-теоретиком Кипом Торном. Последний утверждал, что этот источник был черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.
Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые свои области в крошечные плотные черные дыры. Они были менее массивны, чем Солнце.
Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она сможет быть поглощена ей. По оценкам астрономов, в Млечном Пути от 10 миллионов до миллиарда черных дыр с массами, примерно в три раза превышающими массу Солнца.
Теория струн предполагает больше типов массивных гигантских черных дыр, чем обычная классическая механика.
Черные дыры являются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Фильм Интерстеллар в значительной степени полагался на консультации теоретического физика Кипа Торна. Это позволило привнести настоящую науку в продукт Голливуда. Фактически, работа со спецэффектами для блокбастера привела к улучшению научного понимания того, как могут выглядеть далекие миры, когда они расположены вблизи быстро вращающейся черной дыры.
Источник
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.
Что такое черная дыра
Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.
Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.
— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.
Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь .
При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.
Открытие черных дыр
Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.
Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.
Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).
Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.
Существует несколько типов черных дыр:
- Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
- Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
- Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
- Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.
Сколько черных дыр во Вселенной?
Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.
Источник