Черные дыры. Монстры вселенной
Черные дыры – это таинственные космические объекты, невероятные свойства которых будоражат умы человечества долгие годы. Само существование черных дыр так долго было гипотезой, что многие ученые всерьез сомневались в их существовании. Несмотря на то, что во вселенной было найдено множество этих объектов, черные дыры до сих пор до конца не изучены и таят в себе множество загадок. В этой статье я расскажу вам загадках черных дыр. С вами канал “Все обо всем” .
Черная дыра – это объект, который невозможно наблюдать прямыми методами, как другие тела во вселенной, но факт его существования не вызывает сомнений. Ученые с каждым годом получают новые данные о черных дырах и благодаря их исследованиям, мы уверенны в существовании этих сложных космических объектов.
Что же собой представляют черные дыры?
Теоретически это область космического пространства с невероятно огромной силой притяжения из-за ее массы, при этом она абсолютно невидимая. Черную дыру можно сравнить с пылесосом, имеющим тягу космических масштабов. Он всасывает все, что попадает на границу космического пространства и самой черной дыры, это называется горизонтом событий. Не способен устоять перед притяжением черной дыры даже фотон, который является самой быстрой частицей во вселенной. Пространственно-временной континуум возле черной дыры настолько искривлен, что приобретает иные свойства . Единственное, что позволяет видеть черные дыры в бесконечной вселенной, это особые эффекты гравитационных линз и аккреционных дисков .
Существует несколько гипотез, объясняющих появление черных дыр:
- Первая гипотеза предполагает образование черной дыры путем коллапса тела, масса которого не менее трех солнц. Эту теорию можно просто объяснить с физической точки зрения. Вещество, основывающее тело, например, звезду начинает резко уменьшаться в размере, когда топливо для термоядерных реакций заканчивается. Коллапс или сжатие данного тела будет продолжаться, если давление газа ничем не будет компенсировано до тех пор, пока это тело не превратится в черную дыру .
- Некоторые ученые считают, что черные дыры появились сразу после большого взрыва и возникли они из пустоты .
- Следующая теория говорит о том, что находящийся газ в центах галактик способен сжаться так, что его сжатие способно привести к образованию черной дыры .
Что находится внутри черной дыры?
Один из типов черных дыр предполагает, что внутри нее находится гравитационная сингулярность . Гравитационной сингулярностью называется точка в пространстве-времени, кривизна которой стремится к бесконечности . Другой тип черных дыр подразумевает, что помимо обязательной сингулярности в них находится электрический заряд .
Можно сказать, что внутри черных дыр находится то, что было ей когда-то поглощено, поэтому она скорее всего состоит из нейтронов, образовавшихся при колоссальном сжатии. Масса черной дыры изначальна равна массе объекта, породившего ее, например, самая тяжелая черная дыра , которую удалось обнаружить весит примерно 21 миллиард солнц.
Плотность же этих объектов ставит тупик обывателей, поскольку чем меньше масса черной дыры, тем выше ее плотность, из этого следует, что наиболее тугими являются черные дыры планковских размеров. Плотность у объектов таких размеров может доходить до 1094 килограммов на метр кубический. Для сравнения 10 в 15 степени = 1 квадриллион.
Предназначение черных дыр.
Ученым пока не знают истинных причин возникновения черных дыр, как и предназначения их в нашей вселенной. Самым реалистичным сценарием является теория, что черные дыры являются порталом или генератором альтернативных вселенных. Подробнее о параллельных мирах , я рассказал в своей статье “Параллельные вселенные и как они создаются” .
Считается, что сингулярностью возможно управлять за пределами нашей вселенной, то есть из другой вселенной , находящейся по ту сторону черной дыры. Выходом же из черной дыры является ее противоположность – белая дыра, но пока эта аномалия существует лишь в теории.
Другая теория о предназначении черных дыр говорит о том, что они являются станциями по производству энергии и преобразованию атомов в субатомные частицы.
Слияние черных дыр.
Существуют двойные черные дыры, которые вращаются вокруг общего центра масс, постепенно сближаясь. В конечном итоге две черные дыры образуют новый объект , легче суммы масс двух слившихся черных дыр. Так же черные дыры могут образовываться во время столкновения двух галактик , ядра которых – сверхмассивные черные дыры. Энергия, освобождающаяся при столкновении будет невероятно высокой, сравнимая со взрывом миллиарда сверхновых . В основном эта энергия излучается в виде гравитационных волн, которые идут до земли миллиарды лет, а значит, их энергия сильно уменьшается.
Источник
Невероятная, но вполне реальная теория о вселенных внутри чёрных дыр.
Окееей, сегодняшняя теория может пошатнуть ваш мозг, be careful .
Объект, радиус которого меньше, чем его гравитационный радиус, называется чёрной дырой.
Из этого определения следует, что любой объект , совершенно любой, может стать чёрной дырой, если его очень старательно сжать. Например, Земля станет ей, если скукожить её до одного сантиметра.
Формула, определяющая гравитационный радиус объекта , выглядит так:
Rg=2Gm/c^2 .
G и с – постоянные, финальное значение зависит только от массы.
В тот момент, когда объект пересекает критическую точку гравитационного радиуса, то есть становится чёрной дырой, он не перестаёт сжиматься. Но мы, по понятным причинам, никогда не узнаем, что же там происходит. Однако, в теории не перестаёт, и приближается к точке с бесконечной плотностью – сингулярности.
А что, если рассчитать гравитационный радиус не для планеты, а для целой вселенной?
Как бы через чур оптимистично не звучало такое желание, но сделать это возможно. Сайт Wofram Alfa предоставляет нам данные о массе вселенной (3,4*10^54кг) , а её радиус можно узнать в википедии (4,4*10^26метров)
Если подставить все значения на свои места в формуле и провести вычисления (я понимаю, звучит скучно, но дальше будет крышесносно!), мы получим гравитационный радиус нашей вселенной 5,032*10^27 метров. И это на порядок больше, чем её обычный радиус. Напомню, объект, гравитационный радиус которого больше радиуса объекта, является чёрной дырой.
То есть, наша вселенная, вселенная, в которой живём мы с вами — это чёрная дыра. Поверьте, это не ошибка в расчётах, это распространённая теория в среде учёных. В неё можно не верить, но если смириться с ней…
Четырёхмерная чёрная дыра , появившаяся в следствии коллапса четырёхмерной сверхмассивной звезды, содержит внутри себя трёхмерную вселенную, в которой существует всё известное нам. Форма четырёхмерной чёрной дыры не понятна мозгу трёхмерных обитателей вселенной, поэтому она кажется им бесконечной (на самом деле это не так, в теории). Четырёхмерная вселенная, в которой зародилась чёрная дыра, содержащая в себе трёхмерную вселенную (пожалуйста, потерпите ещё немного эту неразбериху), содержит в себе другие чёрные дыры, внутри которых есть другие, параллельные нам, трёхмерные вселенные. И это согласуется с теорией мультивселенных. А чёрные дыры, которые есть в нашем мире, в нашей вселенной, содержат в себе двухмерные (на порядок ниже предыдущих) вселенные, обитатели которых могут не понимать наше существование в принципе. Быть может, четырёхмерная вселенная находится внутри пятимерной чёрной дыры, появившейся из сколлапсировавшей пятимерной звезды, подвешенной на просторах очередной пятимерной вселенной. И так дальше, вплоть до бесконечности…
Часто пишут, что науке неизвестно, в каком состоянии находится вещество внутри чёрных дыр. Это верно лишь в отношении малых чёрных дыр с их гигантской плотностью энергии. Для чёрных дыр масштаба нашей метагалактики ситуация, как видим, другая – её житель видит примерно то же, что видим мы.
Хайтун С.Д. «Космологическая картина мира, вытекающая из гипотезы о фрактальной вселенной».
Источник
Что находится внутри черной дыры?
Черные дыры являются самыми загадочными объектами во Вселенной, но долгое время в том, что они реально существуют, сильно сомневались. Они оставались лишь математической абстракцией на бумаге, забавным выводом теории относительности, в них не верил даже сам Альберт Эйнштейн.
Но время шло, наши знания преумножались, в науку приходили новые поколения ученых, которые продолжали развивать теорию относительности. В них крепло убеждение, что черные дыры – это реальность. Писались книги, снимались фильмы, проводились лекции, но, кроме теоретических построений, ученые не могли предъявить широкой публике ровным счетом ничего.
С 1970-х годов мы начали наблюдать за центром нашей Галактики, а если точнее, то за траекториями звезд в центре нашей галактики. Звезды эти двигались совершенно непонятным образом: они делали резкие петли и выделывали различные финты, будто какое-то массивное тело заставляло их менять свою привычную круговую орбиту.
Исходя из этих траекторий, получилось даже рассчитать массу и размер этого тела: оно в 3 700 000 раз тяжелее нашего Солнца, и если бы оно находилось в нашей солнечной системе, то простиралось бы далеко за орбиту Плутона.
Это не могла быть звезда, так как она не светится, а её плотность, которая получалась совершенно фантастической, не позволяла её причислить вообще ни к чему. Такой объект давно должен был сжаться под действием своей гравитации. Вывод был однозначным: это сверхмассивная черная дыра. Более того, полагали, что подобные объекты находятся в центре большинства галактик.
Астрономы даже попытались сфотографировать её, но, из-за большого количества пыли между нами и центром Галактики, сделать это было довольно затруднительно. Поэтому решено было сфотографировать центр другой галактики, что и было сделано в 2019 году, когда миру была предоставлена первая фотография черной дыры – вернее, не её самой, а её тени.
Как корабль назовешь, так он и поплывет.
Кстати, почему черную дыру называют объектом? Если вы заглянете в Википедию, то можете прочитать, что определение этого понятия начинается со слов «область пространства-времени». Получается, что черную дыру правильнее называть «местом», а не «объектом».
Вам может показаться, что это всего лишь игра в термины, и на самом деле суть от этого не меняется. Но подумайте вот о чем: при слове «объект» мы всегда представляем себе что-то материальное, то, что можно увидеть или хотя бы потрогать, что-то ощутимое, а в случае космоса – то, что обладает поверхностью. И здесь самая первая ошибка, которую мы совершаем, говоря о черной дыре. Нам кажется, что это просто очень-очень плотный объект — материя, сжатая до невообразимой плотности.
Корни этого заблуждения кроются в том, что многие журналисты, пишущие о черных дырах, в качестве примера приводят такой факт: чтобы из Земли получилась черная дыра, её надо сжать до размеров горошины, а Солнце станет черной дырой, если сжать её до шарика в 6 км в поперечнике. Даже при описании сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики приходится говорить о её размерах. То есть читающие это предполагают, что черная дыра представляет собой тело. Но это не так.
Что такое черная дыра
Чтобы улететь с любого космического тела, то есть сделать так, чтобы её гравитация не смогла на нас влиять, необходима определенная скорость и вычисляется по довольно простенькой формуле. Например, для Земли она равняется 11,2 км/с, для Солнца – уже 617 км/с. Но если бы мы сжали Солнце в размерах в 10 раз, то эта скорость возросла бы до 1935 км/с. Если продолжать сжимать Солнце всё больше и больше, то в какой-то момент скорость для преодоления её гравитации будет составлять уже скорость света. Сожмите Солнце еще на один волосок – и теперь даже свет не сможет преодолеть её гравитацию.
Во Вселенной, согласно расчетам, звезды могут в конце своей жизни начать сжиматься подобным образом, то есть «падать на саму себя». В 1915 году Карл Шварцшильд, решая уравнения Эйнштейна, выяснил, что существует определенный размер, после достижения которого они перестанут излучать во внешний мир, ни один фотон не сможет вырваться с их поверхности. Для нас они станут полностью черными. Но это еще далеко не черная дыра, под внешней чернотой процесс сжатия продолжится, материя будет всё дальше падать на себя, вот только мы этого уже не сможем увидеть.
Когда вы читаете о размерах черной дыры, то в действительности вам говорят о размере той области, которую вычислил Шварцшильд и из которой не может вырваться свет. Границу этой зоны называют горизонтом событий, то есть события, которые будут происходить в недрах сжимающейся звезды после достижения ей этого размера, для нас будут уже недоступны. Отметим также, что эта зона будет разной для тел с разной массой. Например, для Земли она будет иметь размеры горошины, а для Солнца это будет сфера диаметром в 6 км.
Но что происходит там – «внутри»? До какой степени будет сжиматься материя? Пока что мы не можем точно ответить на этот вопрос, мы лишь строим теории.
Что говорит теория относительности
Теория относительности говорит нам, что материя при рождении черной дыры продолжит сжиматься до одной точки, после чего перестанет существовать, а точка станет сингулярностью. Получается, что в черной дыре нет материи – протонов, нейтронов, кварков и остальных – всё это перестало существовать. Оно не испарилось, а полностью превратилось в энергию, которая искривляет пространство-время. Чем ближе к центру, тем сильнее это искривление, а в самом центре – сингулярности – оно достигает бесконечных значений.
Сложно осознать, правда? Давайте лучше так: материя превращается в иголку, которая «протыкает» ткань пространства-времени, после чего иголка уже не нужна: она сделала своё дело и теперь превращается в силу, которая удерживает этот «прокол» открытым.
Описанное выше касалось только невращающихся черных дыр. Но звезды, из которых по большей части и возникают черные дыры, вращаются, поэтому вполне логично, что это вращение передастся и черной дыре. Тогда сингулярность будет представлять собой не точку, а кольцо с нулевой толщиной.
Но что там — внутри сингулярности? О, здесь настоящий Клондайк идей: своя отдельная Вселенная, проход в параллельную Вселенную, туннель для путешествий к другим звёздам, машина времени и много чего еще.
Такое обилие гипотез говорит только об одном: наука ничего не знает, наука пока еще не в курсе дела.
Другие теории
Теория относительности – вещь, конечно, хорошая, но, как мы убедились выше, она «хромает», когда дело касается того, что происходит под горизонтом событий. Более того, квантовая механика, которая изучает элементарные частицы и взаимодействия между ними, во многом противоречит детищу Эйнштейна. Желая примирить эти две теории, ученые уже много лет пытаются создать «теорию всего», даже сам Эйнштейн работал над ней. Об одной из них, вы, безусловно, слышали – это теория струн.
Но давайте остановимся на другой: на теории петлевой квантовой гравитации. Согласно ей, внутри черной дыры нет сингулярности, там существует «планковская звезда». Материя после формирования горизонта событий никуда не исчезает: она продолжает сжиматься в размерах. Вот уже она сжалась до размеров атома (это какую плотность она должна иметь!), еще меньше, еще…
Она сожмется до такого предела, который может ей позволить сама Вселенная – во много миллиардов раз меньше размеров атома, но всё же будет иметь определенный размер. Она будет существовать в таком состоянии столько, сколько понадобится свету, чтобы преодолеть её от края до края – такой отрезок времени намного, намного меньше секунды — после чего начнется обратный процесс расширения.
Но в центре черной дыры время идет очень медленно, практически останавливается. Поэтому доля секунды внутри черной дыры будет равняться миллиардам лет во внешней Вселенной, и для нас «планковская звезда» будет существовать практически вечно.
Вот, собственно, всё, что думают ученые о происходящем внутри черной дыры. Осталось лишь осветить ещё пару вопросов.
О свете и замедлении времени
Всем, кто мало-мальски знаком со школьной физикой, кажется невероятным, что свет, частицы которого вообще не имеют массы, могут притягиваться. Но в действительности, теория относительности говорит о том, что сила притяжения – это иллюзия, её не существует. Есть только искривление ткани пространства-времени, которое мы воспринимаем как притяжение.
Свет всегда распространяется по прямой. Любая масса искривляет эту прямую, и свет тоже, хочешь-не хочешь, летит по этому искривленному пути (хотя для него – это по-прежнему прямая). Это было доказано еще в начале XX века при наблюдении солнечного затмения. Под горизонтом событий, внутри черной дыры, эти прямые искривлены настолько, что все они ведут к её центру. Поэтому свет не может покинуть это предел: в какую бы сторону он не летел, его путь всегда будет направлен внутрь черной дыры.
Теперь о времени. Многие, наверное, знают, что спутники GPS, которые летают над нами, имеют небольшую поправку на время. Совсем мизерную, но если её не сделать, то за один день набежит такая разница, что ошибка в определении местоположения будет составлять 10 км. Связано это с тем, что, искривляя пространство, которое мы ощущаем как силу притяжения, масса вдобавок искривляет и время – оно его замедляет. Не беспокойтесь – вы всё так же быстро собираетесь на работу, просто с точки зрения человека на расстоянии нескольких сотен тысяч километров от Земли вы при этом движетесь будто в замедленном кино.
На Солнце сила притяжения больше, значит и время там течет еще медленнее. Продолжая эту аналогию, можно сказать, что у горизонта событий черной дыры время практически останавливается. Но только для того, кто смотрит со стороны внешней Вселенной – это очень важно. Для того же, кто приближается к горизонту событий, ничего не поменяется – его собственное время будет идти своим чередом, просто остальной мир для него станет вдруг очень быстрым.
Источник