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
Черные дыры – переход в другие Вселенные
Известно, что черные дыры — это области в пространстве-времени с мощным притяжением, которые образуются из звёзд, распавшихся под давлением собственной гравитации. Как полагает современная наука, черные дыры безвозвратно засасывают всё, что к себе притягивают.
Вот уже 40 лет физики пытаются понять, что происходит при этом с информацией о физическом состоянии притянутых тел. Законы квантовой механики говорят, что эти данные не могут быть уничтожены, но общая теория относительности утверждает обратное. В этом и заключается парадокс исчезновения информации в черных дырах.
На конференции по «излучению Хокинга» в Королевском техническом институте в Стокгольме 26 августа 2015 года знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг выдвинул теорию, что информация, которая исчезает в черной дыре, может перемещаться в иное измерение, либо остается на горизонте событий.
Каждая частица, которая несется к черной дыре, несет в себе определенную информацию о своем состоянии, заряде, массе и прочих параметрах, которые ее определяют. Черную дыру же определяет только масса, то есть ни заряда, ни свечения, ни каких-либо других физических параметров у нее нет. Поглощенная частица привносит в черную дыру свою массу.
Поскольку черная дыра все же испускает некие излучения, затрачивая на это часть энергии, масса черной дыры возвращается в исходное состояние. Таким образом, информация о частице теряется, чего, по законам физики, происходить не может, так как данное наблюдение не совместимо с квантовой теорией поля. Информация не должна исчезать.
Стивен Хокинг полагает, что информация остается либо на горизонте событий, либо сквозь черную дыру уносится в другое измерение. Как объясняет Хокинг, информация о телах, затянутых в черные дыры, не пропадает в них — она хранится в её окружении в искаженном виде, и может даже выйти оттуда. Таким образом, Хокинг, нашел решение известного парадокса, существующего в исследовании черных дыр.
Хокинг предположил, что космический путешественник, оказавшийся в черной дыре, не сможет вернуться домой, но может оказаться где-то еще: «Вы не сможете вернуться в нашу Вселенную. Так что, лично я, не стал бы пускаться в такое путешествия, несмотря на мой интерес к полетам в космос». Переход в другую Вселенную возможен, если черная дыра достаточно массивна и вращается. Однако, обратного пути оттуда точно нет.
Если в нашей повседневной жизни время неизменно бежит вперед, если в недрах черной дыры, за чертой горизонта событий, оно замирает, то внутри черных дыр, время и пространство перестают функционировать. Десятилетиями считалось, что черные дыры формируются, когда звезды коллапсируют под действием собственной гравитации в точку пространства, именуемую сингулярностью, которую окружает невидимая мембрана под названием горизонт событий. Пересечение этого горизонта приводит к невозможности вернуться назад.
Хокинг считает, что вырваться из черной дыры можно только при помощи так называемого «излучения Хокинга» – гипотетического процесса испускания черной дырой элементарных частиц. Согласно теории Хокинга, элементарные частицы в некоторых случаях могут вырываться из черных дыр, в результате чего они могут оказаться как снова в нашей Вселенной, так и в другой – параллельной.
6 июля 2015 года на встрече Британского королевского астрономического общества астрофизики сообщили об обнаружении при помощи космического телескопа Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) пяти сверхмассивных черных дыр. В отличие от найденных ранее большинства подобных объектов, черные дыры скрыты слоями газа и пыли. Сверхмассивные черные дыры ученые обнаружили по рентгеновскому излучению сосредоточенной вблизи них материи, которое способно проникать сквозь толщу газа и пыли, не поглощаясь ими.
Ещё в 1975 году Хокинг смог доказать, что эти сверхмассивные объекты постепенно испаряются за счет излучения. Так как излучение хаотично и внешний наблюдатель не может видеть, что происходит внутри черной дыры, то вся информация о свойствах конкретной поглощенной частицы пропадает. Новая теория Стивена Хокинга о том, что информация остается либо на горизонте событий, либо сквозь черную дыру уносится в другое измерение, может разрешить существующий в теоретической физике парадокс исчезновения информации в черных дырах. Подробную работу о своей новой идее Хокинг и его коллеги планируют опубликовать через месяц.
Учёные не знают, что происходит внутри черной дыры. Для уравнений общей теории относительности существуют решения, позволяющие упасть в черную дыру и выйти где-нибудь в другом месте из белой дыры. Черные дыры вполне могут служить своеобразными порталами, через которые материя способна попадать в параллельные Вселенные. В книге «Черные дыры и молодые вселенные» Хокинг предположил, что белая дыра – это пущенная вспять черная дыра — объект, из которого можно выйти, но в который нельзя попасть. Белая дыра могла бы быть где-то в другой части Вселенной. Это дало бы возможность для быстрых межгалактических путешествий.
Может быть, в другой Вселенной, произрастающей из нашей «родимой» черной дыры Стрелец A*, действуют совершенно иные законы природы. Может быть, там вообще нет времени и царит вечность. В любом случае вернуться оттуда в наш мир невозможно. У этого путешествия никогда не будет конца…
«Если бы нам пришлось прыгнуть в черную дыру, то мы бы появились в другой части Вселенной и в другой временной эпохе…»
Источник
Наша Вселенная родилась из гипермассивной черной дыры?
Наиболее приемлемой теорией происхождения нашей Вселенной считается Большой взрыв . Согласно данной теории, началом Вселенной была сингулярность , после чего, на протяжении 13,8 миллиардов лет, он расширялась и продолжает расширяться сегодня. У данной теории все еще есть проблемные участки и сохраняется один важный вопрос – что было до Большого взрыва?
Этан Сигель, физик и один из сотрудников Forbes, объясняет, что наша Вселенная могла сформироваться иначе – благодаря гипермассивной черной дыре . Изначально эту теорию предложили физики Нейеш Афшорди, Разех Поурхасан и РобертМанн в 2013 году. С того времени ряд физиков обратил пристальное внимание на данное предположение.
Свидетельство, которое может подтвердить данную теорию – это сама сингулярность, встречающаяся только в двух вариациях: Большом взрыве и черных дырах . Гравитационная сингулярность – это одномерная точка, в которой наши законы физики относительно пространства-времени попросту ломаются.
В черных дырах сингулярность существует на горизонте событий . Он бросает вызов всему, что якобы управляет физикой нашей вселенной, от квантовой механики до общей теории относительности. Предполагается, что горизонт событий черной дыры более массивен, чем то, что удерживают в нем частицы.
Рождение черной дыры
Поскольку наше понимание Вселенной все еще сильно ограничено, можно назвать эту точку сингулярностью. Горизонт событий черной дыры – это одномерная итерация нашей трехмерной вселенной . Это именно то, что изучают в Институте Периметра.
Возможно ли, что наша Вселенная является продуктом необычной черты черной дыры? А может наша Вселенная – это трехмерная оболочка вокруг другого горизонта событий?
При таком сценарии, наша Вселенная появилась, когда звезда в четырехмерной вселенной попала в черную дыру.
Этан Сигель объяснил, как такой сценарий может существовать:
«Как только черная дыра впервые сформировалась, появился горизонт событий, который быстро расширялся и продолжал расти, ведь в него попадало все больше материи. Если наложить сетку на двумерную модель, можно увидеть, что формирование возникало бы там, где линии сетки были бы близко друг к другу. Изначально расширение проходит быстро, по мере формирования черной дыры, затем расширение становится медленнее, когда вещество начинает попадать с меньшей скоростью. По крайней мере, это концептуально соответствует тому, что мы наблюдаем сегодня с нашей трехмерной Вселенной.
Означает ли это, что каждый раз, когда образуется черная дыра, появляется и новая двумерная вселенная? По словам Сигеля, как бы это странно не звучало, но, похоже, что это вполне возможно.
Тем не менее, пока это лишь теория. Чтобы ее подтвердить или опровергнуть, нам нужно лучше понять физику нашей Вселенной.
Мы благодарны Вам за чтение наших материалов!
Подписывайтесь на канал Achernar и получайте больше интересных публикаций в своей ленте. Вы можете найти нас и на других площадках:
Источник