Черные дыры. факты и теория

Алан-э-Дейл       04.07.2022 г.

Строение черных дыр

Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению – ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.

Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Черные дыры это. 10 интересных фактов о черных дырах.

1 образование черных дыр.Черная дыра рождается тогда, когда у крупной звезды начинает заканчиваться топливо и она начинает разрушаться из-за своей же собственной гравитации.Такая звезда превращается в белого карлика или нейтронную звезду, но если заезда оказывается очень массивной, она может продолжать сжиматься и, в конечном итоге, достигает размера крошечного атома, который называется центром черной дыры.

2 масса черной дыры.Масса этой сжатой звезды настолько велика, а гравитация ее центра настолько сильна, что, согласно теории общей относительности Эйнштейна, она на самом деле может деформировать пространство — время вокруг себя, и даже свет не может вырваться из нее.Граница, за которую свет не может вырваться, называется горизонт событий, а расстояние от центра до горизонта событий — гравитационный радиус или радиус шварцшильда.

3 теория черных дыр.Как только частицы и солнечные лучи пересекают горизонт событий, они направляются к центру, их больше никогда никто не сможет увидеть.

4 самые странные объекты вселенной.Для внешнего наблюдателя с телескопом кажется, что объект, который проходит через горизонт событий, начинает замедляться и замерзать и что он вовсе не прошел через эту границу. Со временем свет становится красным и более тусклым, а его длина волны — длиннее, в конечном итоге, он исчезает из поля видимости, становясь инфракрасной радиацией, а затем радиоволнами.

5 падение в черную дыру.В том случае, если бы человек мог оказаться в черной дыре, будучи в сознании и имея возможность вернуться оттуда, он бы рассказал, что вначале испытал ощущение невесомости, как будто он находится в свободном падении, но затем почувствовал бы очень мощные силы притяжения, его бы тащило ближе к центру черной дыры.Чем ближе к центру, тем сильнее гравитация, поэтому если бы его ноги были ближе к центру, чем голова, его бы начало сильно растягивать и в конечном итоге разорвало бы на части.Во время падения он бы видел искаженное изображение, как будто свет обволакивает его и он бы также увидел, как свет за пределами черной дыры направляется во внутрь.

6 сила гравитации черных дыр.Важно понимать, что гравитационное поле черной дыры точно такое же, как и у других объектов в космосе, имеющих такую же массу. Другими словами, черные дыры притягивают к себе объекты так же, как это делают обычные звезды, то есть все объекты, которые оказываются рядом с горизонтом событий, падают в них

7 кротовые норы.Кротовая нора в теории является туннелем в пространстве — времени, который позволяет пройти коротким путем от одного конца вселенной к другому. Однако эти объекты могут оказаться с внешней стороны очень похожими на черные дыры.

8 кто открыл черные дыры во вселенной?Джон мичелл (1783 год) и Пьер — Симон Лаплас (1796 год) впервые предложили концепцию «Темных Звезд» или объектов, которые при сжатии имеют такую сильную силу притяжения, что скорость убегания рядом с ними будет превышать скорость света.В 20-м столетии физик Джон уиллер предложил называть эти объекты «Черными Дырами», так как они поглощали все частицы света, которые оказывались поблизости, поэтому ничего отражать были не способны.

9 излучение хокинга — испарение черной дыры.Физики в настоящее время полагают, что черные дыры на самом деле излучают небольшое количество частиц фотонов и таким образом теряют массу, поэтому сжатие постепенно ослабляется. Этот неподтвержденный пока процесс получил название излучение хокинга в честь профессора Стивена хокинга, который выдвинул теорию в 1974 году.Однако этот процесс происходит невероятно медленно, и только самые мелкие черные дыры имели время, чтобы испарить достаточное количество вещества за 14 миллиардов лет существования вселенной.

10 массивные черные дыры.Считается, что большая часть галактик держится вместе за счет супермассивных черных дыр в своих центрах, которые удерживают рядом сотни звездных систем.

Типы черных дыр

Немецкий физик-теоретик Альберт Эйнштейн сформулировал ряд гипотез, связанных с гравитацией, которые послужили основой для возникновения современной физики. Этот набор идей получил название « Теория общей теории относительности», в которой ученый сделал несколько новаторских наблюдений о гравитационном воздействии черных дыр.

Для Эйнштейна черные дыры — это «деформации в пространстве-времени, вызванные огромным количеством концентрированного вещества». Его теории способствовали быстрому развитию области и позволили классифицировать различные типы черных дыр:

Черная дыра шварцшильда

Черные дыры Шварцшильда — это те, которые не имеют электрического заряда, а также не имеют углового импульса, то есть не вращаются вокруг своей оси.

Керр-Ньюман Черная дыра

Черные дыры Керра-Ньюмана электрически заряжены и вращаются вокруг своей оси.

Теоретически, все типы черных дыр в конечном итоге превращаются в черные дыры Шварцшильда (статические и без электрического заряда), когда они теряют достаточно энергии и перестают вращаться. Это явление известно как процесс Пенроуза . В этих случаях единственный способ отличить одну черную дыру от Шварцшильда — это измерить ее массу.

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.

Лекция Сергея Попова о черных дырах на YouTube

Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.

Футурология

Космонавты опять сняли НЛО: объясняем самые известные снимки из космоса

Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

Как и почему образуются черные дыры?

Мы все когда-либо страдали, если какая-то черная дыра образовалась рядом с Землей и поглотила нас. Дело в том, что, как бы ужасна ни была идея быть поглощенным огромным телом, это совершенно невозможно.

Черные дыры образуются только после смерти сверхмассивных звезд. Следовательно, независимо от того, существуют ли гипотетические микрочерные дыры или нет, на данный момент единственными черными дырами, существование которых подтверждено наукой, являются те, которые образуются после гравитационного коллапса очень больших звезд.

Настолько большое, что даже Солнце (которое, по сравнению с другими, является очень маленькой звездой) после смерти не могло образовать ее. Речь идет о сверхмассивных звездах не менее 20 солнечных масс. Если такая большая звезда умирает, может образоваться черная дыра.

Чтобы узнать больше: «15 типов звезд (и их характеристики)»

Но почему смерть массивной звезды вызывает образование черной дыры? Что ж, имейте в виду, что в течение всей жизни звезды (которая может колебаться от 30 миллионов до 200 миллиардов лет) это вести битву между расширением и сжатием.

Как мы знаем, в ядрах звезд происходят реакции ядерного синтеза, в результате чего температура Солнца достигает 15 000 000 ° C. Эти невероятно высокие температуры превращают интерьер в адскую скороварку, генерирующую огромные силы расширения.

Теперь, в отличие от этой силы расширения, необходимо учитывать, что собственная гравитация звезды (речь идет о миллиардах квадриллионов кг) сжимает ее, компенсируя расширение.

Пока у него есть топливо (он может осуществлять ядерный синтез), расширение и сжатие будут находиться в равновесии. Теперь, когда приближается конец их жизни, они продолжают иметь ту же массу, но энергия в их ядрах ниже, поэтому сила гравитации начинает побеждать силу расширения, пока наступает момент, когда звезда коллапсирует под действием собственной силы тяжести.

Когда это происходит со звездами, размером с Солнце (Солнце тоже умрет), гравитационный коллапс завершается невероятно высокой конденсацией, в результате чего возникает белый карлик. Этот белый карлик, являющийся остатком ядра звезды, является одним из самых плотных небесных тел во Вселенной. Представьте, что вся масса Солнца сгущается в тело размером с Землю. Вот и белый карлик. Теоретически они тоже умирают после охлаждения, но в истории Вселенной не было времени, чтобы умереть белый карлик.

Теперь, если мы увеличим размер звезды, все будет по-другому. Если масса звезды в 8-20 раз больше массы Солнца (например, звезды Бетельгейзе), гравитационный коллапс, учитывая, что масса намного больше, вызывает гораздо более бурную реакцию: сверхновую.

В этом случае звездная смерть завершается не образованием белого карлика, а звездным взрывом, при котором достигается температура в 3000 миллионов ° C и при котором излучается огромное количество энергии, включая гамма-лучи, которые могут пройти через всю территорию. галактика. Фактически, если звезда в нашей галактике умерла и породила сверхновую, даже находясь на расстоянии нескольких тысяч световых лет, это могло вызвать исчезновение жизни на Земле.

И наконец, мы подошли к черным дырам. Эти образуются после гравитационного коллапса звезд, по крайней мере, в 20 раз превышающих массу Солнца. Этот коллапс заставляет всю массу сжиматься в то, что мы видели раньше: сингулярность.

Рекомендуем прочитать: «10 самых плотных материалов и объектов во Вселенной»

Сделанное в 2019 году, это первое изображение черной дыры, которая имеет массу в 6,5 миллиарда раз больше Солнца и находится в центре галактики Мессье 87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас.

Может быть, это портал?

Внутри черной дыры не действуют привычные нам физические законы. Время там растягивается или вовсе останавливается, то же самое происходит с пространством. Если бы мы могли наблюдать за погружением в черную дыру какого-нибудь объекта, например космического корабля, то нам бы казалось, что, приближаясь к ее границе, он замедляет свое движение, а потом полностью останавливается. Мы бы не увидели падения, которое уже произошло в реальности. А если бы на поверхности этого корабля находились часы, то они бы для нас остановились. Хотя время для наблюдателей, находящихся внутри корабля, шло бы как обычно. Все эти парадоксы следуют из общей теории относительности, разработанной Эйнштейном.

Граница черной дыры, попав за которую уже невозможно выбраться, называется горизонтом событий. Попав за этот горизонт, объект затягивается в центр черной дыры, попутно вытягиваясь в пространстве, и со временем полностью исчезает. Во всяком случае, из нашей Вселенной. По предположению некоторых ученых, черные дыры — это что-то вроде тоннеля в другое измерение. На другом конце этого тоннеля находится так называемая белая дыра, которая действует противоположно черной — выбрасывает из себя энергию и материю. Правда, эта интересная теория пока не имеет доказательств.

Поделиться ссылкой

Обнаружение сверхмассивных чёрных дыр

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задаётся формулой


,

К сожалению, сегодня разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса чёрной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных объектов как чёрных дыр есть определённая степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Существует множество способов определить массу и ориентировочные размеры сверхмассивного тела, однако большинство из них основано на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звёзд, радиоисточников, газовых дисков). В самом простейшем и достаточно часто встречающемся случае обращение происходит по кеплеровским орбитам, о чём говорит пропорциональность скорости вращения спутника квадратному корню из большой полуоси орбиты:


.


.

Метод отношения масса-светимость

Основным методом поиска сверхмассивных чёрных дыр в настоящее время является исследование распределения яркости и скорости движения звёзд в зависимости от расстояния до центра галактики. Распределение яркости снимается фотометрическими методами при фотографировании галактик с большим разрешением, скорости звёзд — по красному смещению и уширению линий поглощения в спектре звезды.

Имея распределение скорости звёзд можно найти радиальное распределение масс в галактике. Например, при эллиптической симметрии поля скоростей решение уравнения Бернулли даёт следующий результат:


,

Поскольку чёрная дыра имеет большую массу при низкой светимости, одним из признаков наличия в центре галактики сверхмассивной чёрной дыры может служить высокое отношение массы к светимости для ядра галактики. Плотное скопление обычных звёзд имеет отношение порядка единицы (масса и светимость выражаются в массах и светимостях солнца), поэтому значения (для некоторых галактик ), являются признаком наличия сверхмассивной чёрной дыры. Возможны, однако, альтернативные объяснения этого феномена: скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Измерение скорости вращения газа

В последнее время благодаря повышению разрешающей способности телескопов стало возможным наблюдать и измерять скорости движения отдельных объектов в непосредственной близости от центра галактик. Так, при помощи спектрографа FOS (Faint Object Spectrograph) космического телескопа «Хаббл» группой под руководством Х. Форда была обнаружена вращающаяся газовая структура в центре галактики M87. Скорость вращения газа на расстоянии около 60 св. лет от центра галактики составила 550 км/с, что соответствует кеплеровской орбите с массой центрального тела порядка 3·109 масс Солнца. Несмотря на гигантскую массу центрального объекта, нельзя сказать с полной определённостью, что он является чёрной дырой, поскольку гравитационный радиус такой чёрной дыры составляет около 0,001 св. года.

Измерение скорости микроволновых источников

В 1995 г. группа под руководством Дж. Морана наблюдала точечные микроволновые источники, вращающиеся в непосредственной близости от центра галактики NGС 4258. Наблюдения проводились при помощи радиоинтерферометра, включавшего сеть наземных радиотелескопов, что позволило наблюдать центр галактики с угловым разрешением 0,001″. Всего было обнаружено 17 компактных источников, расположенных в дискообразной структуре радиусом около 10 св. лет. Источники вращались в соответствии с кеплеровским законом (скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния), откуда масса центрального объекта была оценена как 4·107 масс солнца, а верхний предел радиуса ядра — 0,04 св. года.

Наблюдение траекторий отдельных звёзд

В 1993—1996 годах А. Экарт и Р. Генцель наблюдали движение отдельных звёзд в окрестностях центра нашей Галактики. Наблюдения проводились в инфракрасных лучах, для которых слой космической пыли вблизи ядра галактики не является препятствием. В результате удалось точно измерить параметры движения 39 звёзд, находящихся на расстоянии от 0,13 до 1,3 св. года от центра галактики. Было установлено, что движение звёзд соответствует кеплеровскому, центральное тело массой 2,5·106 масс солнца и радиусом не более 0,05 св. года соответствует положению компактного радиоисточника Стрелец-А (Sgr A).

Что такое черная дыра:

Черная дыра — это космическое явление с очень большими пропорциями (обычно больше, чем у Солнца) и чрезвычайно компактной массой, в результате чего гравитационное поле настолько сильное, что никакая частица или излучение не могут выйти.

Учитывая, что даже свет всасывается, черные дыры невидимы, и о их существовании свидетельствуют только гравитационные последствия, наблюдаемые в его окружении, особенно изменения орбит близких небесных тел, которые теперь притягиваются к черной дыре.

Теоретически, только то, что движется со скоростью, большей скорости света, сможет противостоять гравитационному полю черной дыры. По этой причине невозможно точно знать, что происходит с сосущим веществом.

Сколько живут чёрные дыры

На основании доказанных теорий, например излучение Хокинга, учёные могут рассчитать срок жизни отдельной области.

Чёрная дыра (изображение 2)

Чем меньше размер, тем выше скорость испарения чёрной дыры. По этой причине первичные и квантовые чёрные дыры существуют непродолжительное время. А вот массивные объекты могут существовать очень долго. В принципе, даже их возраст может соответствовать возрасту Вселенной.

Причём в последние секунды жизни в окружающее пространство выделяется огромнейшая энергия чёрной дыры и происходит мощный взрыв.

Представления учёных об устройстве и процессах, происходящих в области пространства-времени, в основном построены на теории и математических расчётах. Пока невозможно провести исследования изнутри, что позволило бы точно узнать как устроена чёрная дыра.

Собственно говоря, существование этих загадочных участков во Вселенной изначально было лишь гипотетическим. Не исключено, что теории и информация, известные сейчас, также реальны или близки к действительности.

В целом, актуальность изучения чёрных дыр со временем только повышается.

Что излучает черная дыра?

Черная дыра рождает не только фотоны, но и дру­гие частицы. Сравнительно большие черные дыры мас­сой в несколько солнечных обладают столь низкой тем­пературой, что могут производить только «безмассо­вые» частицы — частицы, всегда летящие со скоростью света и не имеющие собственной массы покоя. К ним относятся фотоны, электронные и мюонные нейтрино, их античастицы и, наконец, еще гравитоны — кванты гра­витационных волн. Черная дыра массой, типичной, для звезд, рождает особенно много нейтрино (81% все­го потока) всех сортов, затем фотонов (17%) и грави­тонов (2%) (рис. 8). Тот факт, что разные частицы из­лучаются в разных количествах, объясняется различием их свойств. Нейтрино испускается больше всего, пото­му что их внутренний угловой момент (спин) минима­лен (V2), а гравитонов меньше всего, так как их спин максимален (2).

Черные дыры малой массы имеют большую темпе­ратуру. Так, температура черных дыр массой, меньшей 1017—1016 г, выше 109—1010 К. Эти черные дыры порож­дают, помимо перечисленных частиц, электронно-позитронные пары. Заметим, что размеры таких черных дыр составляют всего 10-10 см (в 1000 раз меньше размера атома).

Еще меньшие черные дыры массой < 5 • 1014 г спо­собны излучать мюоны и более тяжелые элементарные частицы. Черная дыра массой 1014 г излучает 12% тяже­лых частиц и античастиц, 28% электронов и позитронов, 48% нейтрино всех сортов, 11% фотонов и 1% гравито­нов (размер этих черных дыр меньше атомного ядра).

Как мы уже отмечали, такие карликовые черные ды­ры могли возникать только в далеком прошлом Вселен­ной

Особую важность квантовые процессы приобрета­ют именно для первичных черных дыр. Если в начале расширения Вселенной, когда вещество было плот­ным, образовались черные дыры массой, меньшей 1015г, то все они должны к нашему времени испариться

По этой причине процесс, открытый Хоукингом, имеет очень важное значение для космологии. Процесс испарения первичных черных дыр ведет к излучению высокочастот­ных фотонов — гамма-излучения. Так, черные дыры массой около 1015 г должны излучать кванты с энерги­ей около 100 МэВ.

Наблюдение таких квантов, приходящих из космоса, в принципе могло бы помочь обнаружению первичных черных дыр. Пока же они не обнаружены, и можно только сказать, что количество черных дыр массой око­ло 1015 г во Вселенной должно быть в среднем не боль­ше, чем десять тысяч на каждый кубический парсек. Если бы их было больше, то общее количество гамма-квантов с энергией около 100 МэВ было бы больше наб­людаемого сейчас потока гамма-квантов из космоса. Количество «десять тысяч» кажется большим, но вспом­ним, что масса первичных черных дыр ничтожна по сравнению, скажем, с массой звезды.

Скорее в плане «мечтаний» (хотя и строго научных) можно представить себе в. отдаленном будущем искус­ственное изготовление в космосе малых черных дыр. Они могли бы аккумулировать энергию, затраченную на их изготовление, и затем излучать ее в заданном тем­пе и с заданной энергией частиц, которые определяются массой черных дыр. Так, черная дыра массой 1015 г бу­дет испускать 1017 эрг/с на протяжении 10 млрд. лет.

Много еще неясного в новом явлении. Например, не­известно, испаряется ли черная дыра совсем без остат­ка или на ее месте остается частичка с так называемой лланковской массой, 10-5 г. Неясно, можно ли наблю­дать процесс испарения черных дыр во Вселенной. И, конечно, пока только фантастическими представляются какие-либо эксперименты с черными дырами в лабора­ториях физиков. Однако уже то, что известно, заставляет по-новому осмыслить многие аспекты эволюции материи во Вселенной.

Эволюция изолированной черной дыры

Другим следствием обратной зависимости между температурой и массой является то, что черная дыра не может находиться в равновесии с термостатом: если температура ванны выше, чем температура черной дыры, черная дыра будет поглощать больше излучения, чем она. ‘он не будет испускать ничего и, таким образом, увеличит свою массу и снизит температуру. Следовательно, разница температур между черной дырой и термальной ванной увеличится. То же самое, если на этот раз температура ванны ниже, чем температура черной дыры. На этот раз температура черной дыры будет повышаться и все больше отличаться от температуры ванны.

Сегодня вся Вселенная залита тепловым излучением, космическим диффузным фоном . Это излучение имеет температуру 2,7 Кельвина , что, следовательно, выше, чем у звездной черной дыры. Такая черная дыра, даже если она полностью изолирована (без аккреции вещества из межзвездной среды или от спутника), поэтому будет поглощать излучение. Эта фаза будет длиться до тех пор, пока температура космического диффузного фона не упадет в достаточной степени из-за расширения Вселенной . Длительность этой фазы можно приблизительно рассчитать, используя параметры стандартной модели космологии . В настоящее время мы наблюдаем ускорение расширения Вселенной , что приводит к тому, что расширение, кажется, имеет тенденцию к экспоненциальному закону, когда расстояния умножаются на 2,7 за время временного порядка Хаббла , составляющее 13,5 миллиардов лет. Температура космологического диффузного фона уменьшается обратно пропорционально увеличению длин. Таким образом, чтобы температура космического диффузного фона достигла значения 6,15 · 10 -8  К, необходимо выждать около 18 хаббловских раз. Черные дыры, менее массивные, чем звездные черные дыры, могут испаряться сегодня. Для этого их масса должна быть меньше

Mмзнак равно6,15×10-82,7M⊙≃4,5×1022kграмм{\ displaystyle M_ {m} = {\ frac {6, \! 15 \ times 10 ^ {- 8}} {2, \! 7}} M _ {\ odot} \ simeq 4, \! 5 \ times 10 ^ {22} {\ mathrm {кг}}},

или масса между Меркурием и Плутоном .

Ни один известный астрофизический процесс не может создать черные дыры такой малой массы, но вполне возможно, что такие объекты образовались в ранней Вселенной . Такие изначальные черные дыры могут существовать и обнаруживать свою подпись в феномене испарения. Действительно, в конце испарения, когда черная дыра достигает массы всего в несколько миллиардов тонн, черная дыра излучает при температуре порядка 10 11  К, то есть в области гамма-лучей , и может оставлять следы наблюдений. в этой области длин волн.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины — переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила источником вдохновения для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.