Меню

Космос сегодня черная дыра

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.

Читайте также:  Что нам не показывают про космос

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

Есть и хорошая новость: В чёрную дыру мы упадём уже не живыми

Люди впервые увидели реальную фотографию космического тела, из-под силы тяготения которого не может вырваться даже свет. И хотя эта чёрная дыра расположена в очень далёкой галактике, наша собственная Галактика закручивается вокруг такой же. И не исключено, что однажды мы в неё упадём

Человечеству впору вздрогнуть. Чёрные дыры из научной абстракции стали реальностью, которую можно увидеть. И хорошо, что не пощупать. Ибо чтобы пощупать, надо к ней приблизиться. Но тогда она начнёт нас затягивать в себя. Всем человечеством со всей нашей планетой. Но ещё задолго до падения в дыру Землю сначала разорвёт, потом превратит в газ, а тот — в излучение. В общем, посветим наконец на всю Вселенную. Как светят те остатки несчастных звёздочек, коих затянуло в чёрную дыру, что расположена в центре эллиптической галактики M87.

Читайте также:  Космос электрические фонарики для

Человечество убедилось в этом собственными глазами…

Где конец света?

Именно это излучение пожираемой чёрной дырой материи поймали земные наблюдатели с расстояния 55 миллионов световых лет. И уже на его фоне увидели её! Правда, не саму чёрную дыру, но «тень» от неё. В кавычках потому, что это не тень, получающаяся из-за непрохождения лучей света через препятствие, а настоящая темнота, образованная в результате поглощения света чёрной дырой. Потому что тяготение там в ограниченном объёме пространства настолько велико, что даже невесомые фотоны не могут вырваться наружу. Вот где настоящий конец света!

Фото: www.globallookpress.com

Дело в самой природе этого явления. Так устроено Создателем, что все тела смертны. От нашего, человеческого, до небесных. В том числе звёзд и даже их скоплений, называемых галактиками.

Одной из форм космической смерти и является засасывание в чёрную дыру. Именно засасывания — как воды в раковину. С характерным «водоворотом», называемым в данном случае аккреционным диском.

Кстати, наша Галактика с её спиральной структурой тоже весьма напоминает водоворот. Или аккреционный диск. Тем паче что в центре её тоже находится своя чёрная дыра, вокруг которой Галактика и вращается. Но об этом дальше.

Следующий пункт. Если в космосе появляются — а они появляются, например, в результате взрывов выработавших свой ресурс звёзд — некие тела с большим удельным тяготением, то они притягивают к себе из окружающего пространства всё, что могут. Что значит удельное тяготение? Это когда громадная масса оказывается в очень ограниченном объёме. Например, нейтронные звёзды, которые остаются на месте взорвавшегося «родителя». Вещество в них «схлопывается» настолько, что один его кубический сантиметр может весить как вся наша Земля с нами вместе.

Фото: Vadim Sadovski / Shutterstock.com

Но, согласно теории относительности Эйнштейна, сила гравитации искривляет пространство. Ну примерно, как в нашем трёхмерном пространстве железный шарик продавливает тонкую резиновую плёнку. А когда некое тело набирает массу сверх определённого предела на величину объёма в четырёхмерном пространстве-времени, то это пространство-время замыкается само на себя. И вот тогда свет, чьи частицы, фотоны, не имеют массы, из этой сферы вырваться уже не может. Что мы и видим на полученной картинке в виде «тени».

Так что когда мы будем падать в чёрную дыру, со светом можно будет попрощаться. Как и со временем. Как и вообще со всеми известными нам физическими законами.

А мы в чёрную дыру уже падаем. Всей Землёй. Всей Солнечной системой. Всем нашим галактическим рукавом Ориона. Потому что в центре нашего галактического «водворота» — такая же чёрная дыра. Мы её не видим, так как она заслонена течами галактической пыли, но она как тот суслик. Она есть. Назвали её объектом Стрелец А.

Немного теории и много страха

Что говорит первое в истории полученное изображение чёрной дыры?

Галактика M87. Можно увидеть исходящий из её центра исполинский джет, существующий благодаря активности чёрной дыры. Фото: www.globallookpress.com

Во-первых, этот объект, повисший, словно паук, в центре галактики М87 в созвездии Девы, огромен. Наш Стрелец А рядом с ним — даже не букашка. Монстр из галактики M87 — она же Дева А — в 6,5 миллиардов раз превышает массу Солнца. А наша, можно сказать, родная чёрная дыра — на этом фоне так, дырочка. «Всего лишь» в 4,3 миллиона раз превосходит солнечную массу.

Во-вторых, энергетика там должна быть просто бешеная. Достаточно сказать, что струя энергетической плазмы, выбрасываемая тамошней чёрной дырой — так называемый джет, — простирается на расстояние 4900 световых лет. Это примерно 46 358 899 999 999 990 км.

В-третьих, размеры. Диаметр «тени» чёрного монстра составляет 100 миллиардов километров. Это примерно 25 Солнечных систем от центра до самой дальней планеты Нептун.

Читайте также:  Конспекты для доу космос

Правда, тут надо отметить, что размер «тени» не равен размеру самой чёрной дыры, за которую обычно принимают так называемый «горизонт событий». Он же — сфера Шварцшильда. Это та сфера, в которую всё входит, но из которой уже не выходит ни материя, ни свет, ни вообще какое-либо излучение.

Можно сравнить с камешком, падающим в воду: «бульк» — это ещё событие, а что там дальше с камнем, в темноте вод — неизвестно.

В данном случае диаметр горизонта событий рассматриваемой чёрной дыры равен 40 миллиардам километров. Тоже ничего — три расстояния от Солнца до границы гелиосферы, где начинается собственно межзвёздное пространство.

У нашего Стрельца А, повторимся, всё поменьше и дым пожиже. Но и нам до него ближе — всего 24 тысячи световых лет. Впрочем, поскольку смещаемся мы к нему в нашем галактическом «водовороте» всё-таки по очень пологой спирали — почти кругу, — то можно уверенно предположить, что на ближайшие пару десятков миллиардов лет землянам такого варианта конца света опасаться не стоит.

Симулированный вид чёрной дыры в центре М87. Фото: www.globallookpress.com

Чему радуются учёные

Больше всего двум моментам. Первое: торжеству технологий, позволивших увидеть воочию теоретическое до сих пор построение. Второе: тому, что это теоретическое до сих пор построение теперь удалось увидеть воочию. И увиденное во многом подтвердило теорию.

Технологически всё выглядит — нет, мы не говорим про исполнение! — достаточно просто. Группа учёных из разных стран придумала и продумала проект под названием «Телескоп Горизонта Событий» (Event Horizon Telescope — EHT). В рамках проекта объединили в одну синхронизированную систему восемь радиотелескопов, расположенных в разных концах Земли, включая даже Южный полюс. Вся эта сеть стала, по сути, одним глобальным телескопом, работающим на волне 1,3 мм. Такой метод позволил добиться различения объектов с угловым разрешением в 20 микросекунд дуги. Это, по остроумному сравнению, данному в материале на сайте журнала «Вселенная, пространство, время», соответствует «способности читать нью-йоркскую газету из парижского кафе».

Схема эксперимента. Фото: www.globallookpress.com

Всего «съёмка» длилась два года, чтобы получить 60 часов наблюдений. Параллельно шла обработка около 10 петабайт собранных данных на суперкомпьютерах, калибровка, сведение их в одну картинку. Итог перед глазами. Хотя точности ради надо заметить, что получено было всё-таки не зрительное, а радиоизображение, в радиоволнах.

Что же оно показало?

То, повторимся, что чёрная дыра в зримой реальности оказалась такой, какой её описывала теория.

Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось,

— заметил глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах.

Х. Фальке. Фото: www.globallookpress.com

В более широком смысле это означает, что пространство, как и предсказывала теория относительности, действительно искривляется под действием гравитации. Гравитация же искривляет и лучи света, из-за чего те попадают в вечный «подвал» чёрный дыры. Это означает, что взаимодействие дыры и материи происходит по уже описанным правилам: диффузное вещество — проще говоря, газ, в который превращается разорванная гравитацией материя, — падает в дыру по спирали, образуя тот самый аккреционный диск. Энергия взаимодействия вещества в этом диске порождает разогрев и свечение, а взаимодействие с аккреционным диском магнитных полей порождает выбросы плазмы — джеты.

И всё это в целом возвращает нас к началу разговора: предыдущие теоретические построения нашли своё блистательное подтверждение в реальном наблюдении и зримом эксперименте.

А значит, подтверждаются вообще нынешние представления учёных об устройстве Вселенной.

Вот они и радуются.

Фото EHT демонстрирует кольцеобразную структуру с тёмной центральной областью. Это и есть «тень» чёрной дыры. По словам астрономов, полученное изображение на удивление хорошо совпадает с результатами компьютерного моделирования окрестностей M87, что подтверждает правильность выводов учёных и их предыдущие оценки массы чёрной дыры.

Тень чёрной дыры. Фото: www.globallookpress.com

Источник

Adblock
detector