Черные дыры – загадки Вселенной
Черная дыра – бездна откуда нет выхода
Черные дыры – самый таинственный объект во всей науке. Любые вопросы, связанные с ними, – это вопросы, которые затрагивают Вселенную в целом. Дать определение черным дырам весьма непросто. Если поверить физикам, это явление представляет собой некое порождение тяготения, достигшего колоссальных величин. Как результат в пространстве появляются области настолько плотные, что даже свет не в состоянии преодолеть их гравитационного притяжения. Вещество поглощаемое черной дырой раскаляется и, погружаясь в «бездну», начинает излучать очень высокую энергию. В состав этого излучения входит и рентгеновское, которое способны обнаруживать телескопы на околоземной орбите.
Известно, что черные дыры «проглатывают» не только находящиеся поблизости физические предметы, но и свет. По этой причине они невидимы; обнаружить нахождение в пространстве таких явлений можно, только основываясь на косвенных признаках.
Черные дыры возникают после смерти больших звезд (в основном, их наблюдают в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик). Черные дыры обладают целым рядом абсолютно фантастических свойств: внутри них изменяются свойства пространства, замедляется время. Эти две основополагающих составляющих нашего бытия в уникальной зоне закручиваются в воронку; теоретики полагают, что в ее глубине пространство и время распадаются на кванты.
По сути, мы имеем дело с гравитационной ловушкой, откуда нет выхода. При этом у этой бездны попросту отсутствует… наблюдаемая поверхность. Если у нейтронных звезд зарегистрированы сильные магнитные поля и строго периодичные пульсации рентгеновских лучей, то черные дыры характеризуются неподдающимися расчетам флуктуациями излучения. Кстати, еще одна особенность: это явление уникально по количеству накопленной в нем энергии. Во Вселенной нет объектов, которые содержали бы ее больше, чем черные дыры. Фактически, перед нами – неиссякаемый источник!
Черная дыра первоначально появилась на бумаге, когда в XVIII столетии ученые – Митчел и Лаплас – обратили внимание на «предсказание», которое содержалось в ньютоновской теории. Математическое решение данной проблемы увидело свет позже. В начале XIX столетия Пьер Лаплас впервые заговорил о теоретической возможности существования черных дыр. В знаменитом «Курсе теоретической физики» Лев Ландау и Евгений Лифшиц называли эту загадку Вселенной самой красивой из всех существующих теорий, а Макс Борн восхищался ею, «как творением искусства».
Такого рода отношение данный объект вызывает практически у всей научной общественности. Но, по всей видимости, наиболее поэтично высказался американский физик К. Торн: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, самое фантастичное – это образ черной дыры, границу которой ничто не может пересечь, и даже свет задерживается ее мертвой хваткой».
В наше время, задействовав для наблюдения орбитальные телескопы, ученые установили интересные факты. Как оказалось, черные дыры делятся на два вида. К первому из них относятся массивные объекты, размеры которых составляют порядка трех масс нашего светила. Ко второму же – так называемые сверхмассивные (размером от миллиона до миллиарда масс Солнца). Сейчас специалистами зафиксировано местоположение около 20 массивных и около 200 сверхмассивных черных дыр. Кроме того, было установлено еще около 220 мест, в которых, вероятно, могут находиться эти объекты.
«Главная загадка Вселенной» не перестает подкидывать исследователям информацию к размышлению. Так, немало вопросов возникает в связи с открытием маленьких, но сверхмассивных черных дыр. К примеру, объект, находящийся в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, любопытен тем, что, вопреки математическим расчетам, излучает в рентгене на удивление интенсивно. Эта черная дыра является столь же мощной, как и ее особо крупные «родственники» в центрах других галактик. А ведь данная «невидимка» тяжелей Солнца «всего» в 50 000 раз, тогда как обычные сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивней нашего светила.
Наличие небольших по размерам, но особенно мощных «загадок Вселенной» может объяснить свойства одного из типов активных галактик. Считается, что в их центре есть «невидимки»; такие галактики менее ярки, чем квазары, но испускают большое количество рентгеновских лучей.
Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все звезды вместе взятые. При этом многие из подобных объектов предположительно сформировались относительно недавно; исследователи считают, что по крайней мере 15 процентов всех сверхмассивных черных дыр возникло, когда возраст Вселенной был вполовину меньше.
В настоящий момент «невидимки» также продолжают расти. В последние два-три года стало ясно, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с довольно приличным ускорением. Его обеспечивают огромные невидимые массы материи. Загадочные «белые пятна» мироздания производят 30 процентов энергии, за счет которой происходит расширение. А вот откуда берутся еще 70 процентов – пока неизвестно (ученые называют эту часть «темной энергией Вселенной»).
Массы загадочных объектов, которые образуются в результате коллапса газовых облаков, от миллионов до миллиардов раз превышают массы звезд. Размеры таких «островов мрака» сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. При этом, по мнению астрономов, сверхмассивные черные дыры содержатся в центре большинства галактик. Наша с вами тоже не является исключением из общего правила. Причем недавние наблюдения супермассивных «невидимок», вращающихся друг вокруг друга в центре NGC 6240 (в созвездии Змееносца), позволили предположить: в случае слияния галактик их черные дыры также подвергаются объединению. На завершение такого процесса уходит несколько сот миллиардов лет.
По сути, черные дыры являются неизученными элементами нашей Вселенной, своеобразными «белыми пятнами». Но тем не менее, современная физика фактически требует, чтобы это явление существовало. Причем в достаточном количестве. И таких активных галактических источников в самом деле на удивление много. В рентгеновском диапазоне мы видим в 10 раз больше галактик, чем при самых детальных оптических обзорах!
Итак, оказалось, что данное явление во Вселенной достаточно распространено. Поэтому в последнее десятилетие возникло новое перспективное научное направление – демография черных дыр. Оно изучает распределение этих загадочных объектов в пространстве и взаимодействие их с другими материальными объектами.
Особое внимание изучению черных дыр уделяет Стивен Хокинг – человек, которого называют «самым загадочным ученым современности». Он, кстати, возглавляет в Кембридже ту кафедру, которую в свое время занимал Исаак Ньютон. Тут следует упомянуть, что этот блестящий британский физик, имеющий 12 ученых степеней, лауреат Нобелевской премии (1998 года) и Ордена почета, член Королевского научного общества Великобритании и Национальной академии наук США, уже почти четверть века страдает редкой формой атрофического склероза, превратившей его в калеку. Передвигается Хокинг только благодаря инвалидной коляске с электромотором, лекции в университете читает при помощи электронного синтезатора голоса (его собственную невнятную речь понимают только близкие профессора – его жена и трое детей). Контакт ученого с внешней средой обеспечивает уникальный компьютер, которым этот человек-уникум управляет единственным действующим пальцем левой руки…
На основании многолетней работы Хокинг сделал вывод: квантовое испарение черных дыр неизбежно. А это означает, что данные объекты умирают. Интересна попытка соотнести размеры и массу удивительных «белых пятен» мироздания. В частности, расчеты британского ученого показали: черная дыра весом в один миллиард тонн (масса горы) имела бы… размер нейтрона или протона. Кстати, профессор убежден, что время формирования загадочных «невидимок» превосходит время жизни самой Вселенной! Правда, квантовой теории черных дыр покуда не существует, а это значит, что процессы, на которые указал Стивен Хокинг, в настоящее время понять в полной мере невозможно.
Пристальное внимание ученых к проблеме существования «невидимок» объясняется весьма вескими причинами. Относительно недавно американский телескоп «Хаббл» зафиксировал интересный, но не слишком приятный факт: черная дыра GROJ 1655-40 из созвездия Скорпиона прямиком направляется к нашему Солнцу. Неведомый монстр находится, безусловно, далековато от нас – на расстоянии в 6000 световых лет. Однако повод для беспокойства есть. Скорость данного объекта внушает уважение: она составляет 40 000 километров в час! По ходу своего движения черная дыра «съедает» звезды. Видимо, это же произойдет в далеко не светлом будущем и с нашим собственным Солнцем. А покуда ученые пытаются разобраться, что же представляет собой данная напасть.
Стивен Хокинг, летом 2004 года заявил, что полностью раскрыл тайну черных дыр – главную загадку космоса. Для этого астрофизик объединил теорию относительности и квантовую механику в единую теорию. Хокинг утверждает, что черные дыры отнюдь не являются огромными «братскими могилами» звезд, некой «всепоглощающей» субстанцией. Еще в 1970-х годах ученый доказал, что обмен энергией между данным объектом и внешним пространством вполне возможен. Черные дыры – «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики» – вовсе не конец мироздания. Они исторгают лучевые потоки и являются рядовыми эволюционирующими объектами.
Однако данное открытие вызвало парадокс: британский профессор уверял, что энергия, поступающая из черной дыры, не содержит никакой «информации» о поглощенной материи. Тогда после испарения «невидимки» от нее не остается и следа, следовательно, не остается и никакой информации. А это противоречит всем законами квантовой механики. Разрешить этот парадокс Стивен Хокинг старался на протяжении 30 лет.
Теперь профессор полагает, что загадочные «белые пятна» все же позволяют информации выходить наружу; в таком случае падение в черную дыру – «это не путешествие с билетом в один конец». По теории Хокинга, «невидимки» не имеют ясно очерченного горизонта событий, который скрывает все в них от внешнего мира, и не уничтожают падающие тела полностью и без следа. Вместо этого жертвы гравитационной ловушки продолжают излучать энергию в течение длительных периодов времени, пока «черная дыра только формируется». «Но позже горизонт открывается и выпускает информацию относительно того, что упало внутрь, так что мы можем проверить прошлое и можем предсказывать будущее», – уверяет ученый. Правда, следующее его заявление сразу же разочаровало любителей научной фантастики: «Если вы попадаете в черную дыру, ваша масса-энергия будет возвращена в нашу Вселенную, но в изуродованном виде».
Кстати, загадочные «невидимки», как оказалось, способны «петь»! То есть от них исходят звуковые волны. К примеру, подобный объект из созвездия Персея (около 250 миллионов световых лет от Земли) постоянно «мурлычет» ноту, соответствующую си-бемоль, причем на 57 октав ниже первой октавы. Что это? Свидетельство процесса, благодаря которому пылевое облако, окружающее черную дыру, раскаляется? Видимо, так. Но все же воображение рисует картину, весьма далекую от науки: прослушав очередную порцию предположений и догадок относительно собственной персоны, грандиозный «невидимка» продолжает иронично подсмеиваться над учеными, напевая себе под нос нехитрую песенку Времени…
Источник
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