Почему черные дыры до сих пор не поглотили всю Вселенную
Если исходить из классического описания черной дыры, то это некий сверхмассивный объект, который постоянно и неумолимо притягивает к себе окружающую материю. Обратного пути нет – вещество достигает дыры, поглощается и становится ее частью. Из-за этого черные дыры все время растут, тяжелеют и увеличивают свою силу притяжения.
Но если по мере накопления вещества извне дыра становится «больше», почему мы не видим этого расширения? Более того, если дыры существуют давно и все это время собирали вещество, они давно должны были превратиться в гиперобразования, на фоне которых галактики выглядели бы песчинками. Чудовищно большие космические расстояния больше не были бы помехой, чтобы притянуть и поглотить самые дальние объекты, включая и более слабые черные дыры.
В реальности ничего подобного не наблюдается, и это тревожит ученых. В самом деле, куда девается поглощенное черной дырой вещество? Один из лучших физиков-теоретиков современности, Леонард Сасскинд, недавно подготовил новое теоретическое обоснование. Оно еще не прошло рецензирование, это лишь теория, но она многое объясняет. Объединив вместе теорию струн и квантовую механику, Сасскинд пришел к выводу, что черная дыра растет «внутрь себя», увеличивая не размеры в нашем четырехмерном пространстве, а свою пока неописанную «внутреннюю сложность» или «квантовый вес».
Это проще всего описать в виде рабочего стола компьютера, на котором мы создали новую папку. Размеры ярлычка стабильны и никак не отражают содержимое папки, тогда как внутрь мы можем переместить любое количество файлов. Причем просто перетянув с соседней части рабочего стола, подобно тому, как черная дыра притягивает близкие объекты. У папки будет колоссальный «вес», реальный размер и, как следствие, влияние на «вселенную компьютера». Но заметить его, просто разглядывая рабочий стол и не зная устройства файловой системы, мы не сможем. Для этого нужно перейти на принципиально иной уровень понимания бытия.
Источник
Поглотит ли черная дыра Землю?
Как может повлиять чёрная дыра на Землю? Стоит ли опасаться современным людям негативного эффекта от такого воздействия? Это одни из актуальных вопросов, волнующие умы современных людей, интересующихся космическими явлениями и судьбой родной планеты.
Наверняка многим известно, что чёрные дыры получили своё специфическое название из-за структурных особенностей. Их центральная часть обладает настолько сильной гравитацией, что затягивается даже весь окружающий свет. От такого притяжения ничто не ускользает.
В космическом пространстве чёрными дырами формируются точки с мощнейшим гравитационным притяжением во Вселенной. Этот факт известен многим, поэтому они вызывают естественное опасение. Никто не пожелает находиться вблизи подобных образований.
Если вы решитесь приблизиться, гравитационное притяжение чёрной дыры своим мощнейшим воздействием начнёт как бы засасывать внутрь. Невозможно сбежать даже при движении со скоростью света.
Интересно! Место, где исключается возможность противостояния гравитации и образуется точка невозврата, получила название «горизонт событий»!
Спагеттификафия
Ещё одной первопричиной, пугающей воображение любого человека, думающего о воздействии чёрных дыр на Землю либо изучающего их свойства – это специфический эффект, называемый астрофизиками «спагеттификацией». Любые свето-энергетические образования или космические тела, приближающиеся к чёрной дыре, начинают существенно растягиваться вертикально и расширяться горизонтально.
Превращение звёзд в полосы спагетти
Нужно сейчас представить такой космический массив, как звезда. В ситуации сближения такой звезды с чёрной дырой одна её сторона будет испытывать большую силу тяги, нежели противоположная. Данное обстоятельство обязательно происходит, так как одна сторона звезды будет ближе к центру пространственно-временного образования. Она испытывать начнёт максимальную силу притяжения, а инверсная зона, находящаяся дистанционно дальше – сравнительно меньшее влияние.
Такое построение гравитационного перепада (именуемого специалистами «приливная сила») способно произвести физический разрыв космического образования. Звезда будет напоминать кусок пшеничного теста, растягиваемого при изготовлении спагетти.
Нередко астрономы фиксируют наблюдение этого процесса в иных галактиках космоса. У специалистов данное явление имеет техническое название «случайный прорыв». Так как приближение и растяжение звезды при воздействии гравитации чёрной дыры длится миллионы лет. Факт спагеттификации просто означает нахождение космического тела вблизи чёрной дыры. Её мощная сила вызывает удлинение материи, предшествующее вероятному поглощению.
Стоит ли насторожиться?
Фактически в ближайшем к Земле космическом пространстве активных чёрных дыр нет. Существующие образования с колоссальной гравитацией влиять не могут на нас. Известно, что «соседняя» чёрная дыра имеет идентификационный номер А0620-00, а в атласе космических тел она называется V616 Monocerotis.
Располагается она на дистанции неимоверной длины – примерно 3 300 LY (световой год). Это крайне далеко, учитывая, что расстояние в 1 LY нормальный фотон, являющийся электромагнитной волной, в вакууме преодолевает за классический юлианский год – 365 суток. Дистанция здесь составляет ориентировочно 9,461 х 1015 метров.
С чёрной дырой не повстречаются даже тысячные поколения живущих сегодня людей. Вес А0620-00 превышает массу нашего Солнца в 6,61 раз. Такой показатель означает действительно колоссальную мощь космического объекта. Его гравитационная сила притяжения фактически стократно превосходит значение солнечной силы притяжения.
Теоретический разрыв планеты Земля вероятен, если произойдёт сближение с V616 Monocerotis на 3,72 световые секунды – это менее 800 000 км. Допустимость подобного сценария, конечно, в нашей жизни весьма условная. Воздействие чёрной дыры на Землю сегодня и в ближайшие тысячелетия не угрожает.
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
Как умирают чёрные дыры и куда при этом девается поглощённая ими материя
Согласно наиболее популярной теории эволюции Вселенной, смерть последней будет холодной. Звезды догорят, останутся лишь массивные черные дыры, но и они в конце концов испарятся. Мысль о том, что черные дыры могут рассеиваться, была высказана Стивеном Хокингом, по мнению которого при определенных условиях черные дыры излучают элементарные частицы, по большей части фотоны. Но тут могут возникнуть вполне закономерные вопросы. Если черные дыры могут испаряться, означает ли это, что запертая в них материя покидает сингулярность? И вообще, что происходит при этом с самой сингулярностью?
Прежде чем отвечать на эти вопросы, следует напомнить, что представляет собой черная дыра.
По сути, это звезда, но такая массивная, что под действием нарастающих сил гравитации вся материя в ней устремляется к центру, образуя сингулярность — точку, в которой метрические величины стремятся к бесконечности. Обычно черные дыры образуются вследствие коллапса массивных звезд, впрочем, черной дырой может стать любое тело, сжатое до критически малого объема. Ее гравитация настолько сильна, что оказавшаяся вблизи нее материя будет поглощена сингулярностью, причем при достижении горизонта событий частицы достигнут скорости света.
Это означает, что ни частицы материи, ни излучение, оказавшись по ту сторону горизонта событий, не смогут вернуться, ведь для этого им бы пришлось двигаться быстрее скорости света, а это невозможно.
Но если это так, каким образом черные дыры могут терять массу и испаряться?
С точки зрения Хокинга, процесс испарения черных дыр обуславливается взаимодействием виртуальных частиц, которые, оказавшись в непосредственной близости от горизонта событий не аннигилируют, а растягиваются в противоположных направлениях под действием мощной силы гравитации. При этом одна частица «улетает» в космос, а другая, имеющая отрицательную энергию, оказывается поглощена черной дырой.
В результате черная дыра отдает энергию, равную той, которой обладает «отрицательная» частица. Если таких частиц окажется много, коллапсар потеряет свою энергию и в конце концов испарится. Некоторое время эта теория в ее примитивном представлении пользовалась такой популярностью, что ее приняли на веру даже некоторые физики. Результатом такого недопонимания связи частиц Хокинга с гравитацией стал вывод о невозможности существования самих черных дыр, что было проиллюстрировано на примере исследований профессора Лоры Мерсини-Хоутон из университета Северной Каролины . Но черные дыры существуют, следовательно, испарение должно объясняться иными причинами. В общем, так оно и есть.
Если в расчеты взять квантовую физику, все становится на свои места
Согласно квантовой теории, энергия неотделима от пространства, которая ему присуща по определению. Этот феномен именуется квантовым вакуумом. Так вот, этот самый квантовый вакуум в искаженном пространстве черной дыры ведет себя совершенно иначе, чем в пространстве плоском. Излучение черного тела в область пространства, окружающего сферу Шварцшильда вполне реально, квантовая теория поля это вполне допускает. Чем меньше радиус горизонта событий, тем более выраженное искривление имеет пространство вокруг него, а чем сильнее оно искривлено, тем сильнее проявляет себя излучение Хокинга. Это вполне объясняет, почему небольшие черные дыры испаряются быстрее, чем массивные.
Интересно, что черная дыра будет сохранять свои свойства до самого конца, вплоть до того момента, когда ее масса станет нулевой. По расчетам, в последнюю секунду существования черной дыры ее масса составит всего 228 тонн, а размер сферы Шварцшильда — ничтожные 340 йоктометров. Смерть черной дыры ознаменуется мощным взрывом с выбросом энергии равной той, которая была бы выделена при взрыве 5 триллионов тонн тротила. Все, что было поглощено черной дырой за время ее существования, будет «переработано» в чистую энергию и выплеснуто в окружающее пространство в виде излучения. Что после этого останется? Почти ничего, если не считать остатков уходящего излучения, остывающего в бездонной пустоте темного мертвого космоса.
Источник
Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной
Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.
Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.
Черные дыры пугают по трем причинам:
Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.
У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит.
Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.
Я изучаю черные дыры более 30 лет. В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик. Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.
Смерть от черной дыры
Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.
Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus. С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.
Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».
Голодный зверь в каждой галактике
Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.
Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.
Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.
Черная дыра в галактике M87
Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения.
Массивные черные дыры опасны по двум причинам:
Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас.
Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.
Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике. По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.
Странные сверхмассивные черные дыры
Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света.
Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.
Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них. Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.
По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.
Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.
Источник