Чёрная дыра: 10 теорий и фактов о самом загадочном объекте космоса

История идеи о черных дырах.

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл (J.Michell, 1724–1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783. Так родилась концепция «ньютоновской» черной дыры.

Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчела и Лапласа о черных дырах была забыта.

Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации – общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величину rg часто называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались.

Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд)как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, ее ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.

В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.

В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь черной дырой. Но поскольку такой объект (как говорили тогда, «коллапсар», или «застывшая звезда») не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.

Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в 1967 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

Как долго может существовать черная дыра?

Гипотетически срок жизни черной дыры зависит от ее массы, которую она теряет из-за излучения Хокинга. Интересно, что черные дыры с меньшей массой теряют ее быстрее, чем более крупные. Это потому, что кривизна, которую они создают в пространстве, является более высокой вокруг горизонта событий. Однако даже в этом случае, черные дыры живут очень и очень долго.

Например, для полного испарения черной дыры с массой Солнца потребуется 1067 лет. Для более крупных черных дыр во Вселенной это могло бы занять невероятные 10100 лет. Гипотетически, когда все звезды и планеты погибнут, черные дыры ещё будут существовать, и в конечном итоге исчезнут сами собой.

Нобелевская премия по физике улетела в дыру

Черные дыры, где гравитационное притяжение настолько сильное, что в состоянии удерживать даже объекты, которые двигаются со скоростью света, — в наши дни одна из самых горячих тем в новостях.

Половина Нобелевской премии по физике в этом году была присуждена сэру Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) «за открытие того, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности» Эйнштейна. Американский астроном Андреа Миа Гез (Andrea Mia Ghez) и немецкий астрофизик Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) разделили с ним вторую половину Нобелевки за то, что показали, что в центре нашей галактики угнездилась крупная черная дыра.

Страх бесконечности

Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.

Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.

На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.

Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.

Как учёные узнают о чёрных дырах

Чёрная дыра не излучает и не отражает свет подобно большинству других объектов во Вселенной. Но ученые могут фиксировать, как сильная гравитация влияет на звёзды и газ вокруг чёрной дыры. По поведению объектов, рядом с которыми есть чёрная дыра, собственно можно доказать её наличие.

Ещё много интересного в наших соцсетях

  1. Звёзды вращаются вокруг центра гравитации. Если в этом месте ничего нет, значит есть вероятность, что это чёрная дыра.
  2. Из окружающего пространства чёрная дыра постоянно притягивает материю. Космическая пыль, газ, вещество ближайших звезд — всё это падает на неё по спирали, образуя аккреционный диск. Испытывая ускорение, частицы порождают излучение в характерном спектре. В области, откуда это излучение пришло, наверняка есть чёрная дыра.

Модель пространства вокруг чёрной дыры

«Оставь надежду, всяк сюда входящий»

Предположительно, черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды иссякнет, ее ядро ​​коллапсирует до самого плотного состояния материи: в 100 раз более плотного, чем атомное ядро. Настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг обычной звезды.

Судьба любого угодившего в черную дыру объекта представляет собой болезненную «спагеттификацию». Под этим термином, который иногда называют «эффектом лапши», астрофизики понимают сильное растяжение объектов по вертикали и горизонтали, вызванное большой приливной силой в неоднородном гравитационном поле. В результате они напоминают спагетти.

Одним из первых данную мысль некогда растиражировал Стивен Хокинг в переведенной на многие языки «Краткой истории времени». При спагеттификации сильная гравитация черной дыры разбирает вас на части, разнимая не только ваши кости, мышцы и сухожилия, но даже молекулы. Вспомните надпись над вратами ада в классическом произведении Данте: Lasciate ogni speranza, voi ch’entrate.

Астрономические наблюдения выявили, что в центрах всех галактик есть черные дыры. В крупных черных дырах еще можно рассчитывать на выживание. Хотя их гравитация сильнее, растягивающая сила слабее, чем у маленькой черной дыры, она вас не погубит. Однако ничто не может ускользнуть из гравитационного радиуса (или радиуса Шварцшильда), поэтому вы не можете ни убежать, ни сообщить о своем опыте.

Встройте «Правду.Ру» в свой информационный поток, если хотите получать оперативные комментарии и новости:

Подпишитесь на наш канал в или в

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google

Также будем рады вам в наших сообществах во , Фейсбуке, Твиттере, Одноклассниках…

Куратор: Владимир Губарев

Первые научные обоснования существования черных дыр

После выхода Общей теории относительности Эйнштейна в свет, математики и физики всерьез взялись за решение представленных немецким ученым уравнений, которые должны были рассказать нам много нового об устройстве Вселенной. Тем же решил заняться и немецкий астроном, физик Карл Шварцшильд в 1916 году.

Ученый с помощью своих вычислений пришел к выводу, что существование черных дыр возможно. Также он первым описал то, что впоследствии назвали романтической фразой «горизонт событий» — воображаемую границу пространства-времени у черной дыры, после пересечения которой наступает точка невозврата. Из-за горизонта событий не вырвется ничто, даже свет. Именно за горизонтом событий наступает так называемая «сингулярность», где известные нам законы физики перестают действовать.

Продолжая развивать свою теорию и решая уравнения, Шварцшильд открывал для себя и мира новые тайны черных дыр. Так, он смог исключительно на бумаге вычислить расстояние от центра черной дыры, где сконцентрирована ее масса, до горизонта событий. Данное расстояние Шварцшильд назвал гравитационным радиусом.

Несмотря на то, что математически решения Шварцшильда были исключительно верны и не могли быть опровергнуты, научное сообщество начала 20 века не могло сразу принять столь шокирующее открытие, и существование черных дыр было списано на уровень фантастики, которая то и дело проявлялась в теории относительности. На ближайшие полтора десятка лет исследование космоса на предмет наличия черных дыр было медленным, и занимались им единичные приверженцы теории немецкого физика.

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 рождаются чёрные дыры?

Чёрные дыры возникают из огромных звёзд, известных как красные гиганты. Они в разы тяжелее нашего Солнца, но полностью выгорают всего за небольшой отрезок их жизни. Гравитационная сила такой звезды заставляет температуру подниматься выше миллиарда градусов. Гелий и углерод переплавляются в более тяжёлые элементы, а затем звезда сжимается и взрывается под тяжестью своей огромной гравитации, распространяя вокруг себя ударную волну.

Происходит взрыв со вспышкой сверхновой звезды. На её месте остаётся плотное ядро из субатомных частиц — нейтронная звезда либо чёрная дыра, диаметром всего несколько километров. Но его плотность настолько огромна, что чайная ложка, сделанная из такого материала, будет весить около миллиарда тонн. Гравитационное притяжение вырастет до таких пределов, что уже ничто не сможет вырваться оттуда.

Как образуются черные дыры?

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру.

Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса. То есть среднестатистическая нейтронная звезда — это потенциально неудавшаяся черная дыра, которая была недостаточно сжата во время коллапса звезды, чтобы превратиться.

После образования черная дыра продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощение звезд и слияние с другими черными дырами может привести к образованию сверхмассивной черной дыры. Согласно общему пониманию, такие объекты существуют в центрах большинства галактик.

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 происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

В 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Предполагалось, что мы станем наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

Сближение с черной дырой произошло к 2013 году, а наибольшее сближение должно было пройти точку в марте 2014 года. Ожидалось, что за этим последует вспышка, но ничего не было зафиксировано и вспышка проявила себя лишь в мае 2019 года. Возможно, приближение черной дыры к газовому облаку повлекло цепочку событий.

Воссоздание картины того, как предполагалось произойдет это захватывающее зрелище.

  1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
  2. По наблюдениям в июне 2013 года облако находилось в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падало в неё со скоростью 2500 км/с.
  3. Ожидалось, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставляют его принимать всё более вытянутую форму.*
  4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.*
  5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.*
  6. На май 2019 была зафиксирована вспышка, но более других значимых событий не последовало. Исследования причин и последующих событий в этом направлении продолжаются.

* На данный момент ничего этого зафиксировать не удалось.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 должно было разрушиться и поглотиться чёрной дырой Стрельцом А*)

Что такое черная дыра?

Для начала необходимо обозначить – черные дыры изучены очень слабо и по большей части на теоретическом уровне. До 2019 человечество обладало исключительно теоретическими знаниями. Однако 10 апреля того же года, ученым удалось получить первую фотографию сверхмассивной черной дыры в рентгеновском спектре излучения в центре галактики Messier 87 (М87). 

Что такое черная дыра

Если очень коротко, то черная дыра – это наиболее тяжелый и одновременно самый маленький из всех возможных объектов во вселенной.

Черная дыра – это объект в космическом пространстве, в котором сжато огромное количество вещества. Чтобы примерно понимать масштаб сжатия – представьте звезду, которая в 10 — 100 — 1 000 000 раз больше солнца, и сжатая в сферу диаметром с Киевскую область. В результате неимоверной плотности, возникает сильнейшее гравитационное поле, из которого даже свет не может вырваться наружу.

Почему черные дыры так называются

На данный момент известно – черные дыры обладают невообразимой гравитацией, настолько сильной, что даже такие мельчайшие частицы как фотоны (видимые частицы света) не могут преодолеть силу ее притяжения, а они, на минуточку, перемещаются со скоростью света. Именно из-за того что свет не отражается (точнее не может преодолеть силу гравитации) от поверхности, внешне «черные дыры» остаются темными областями для любых существующих приборов наблюдения, при этом, вышесказанное вовсе не означает что поверхность черной дыры черная, просто извне ее невозможно увидеть, парадокс, причем далеко не единственный!

Область пространства вокруг черной дыры, за которую не может прорваться (вернуться) материя и любые частицы, в том числе кванты света, называется . Находясь под горизонтом событий, любой предмет, тело, частица будет двигаться, существовать только в пределах черной дыры и не сможет вырваться наружу, за пределы горизонта событий. Внешний наблюдатель, который находится на наружной стороне горизонта событий не может наблюдать то что происходит внутри.

С горизонтом событий не все так просто, благодаря квантовым эффектам, он излучает энергию (поток горячих частиц) во вселенную. Этот эффект известен как излучение Хокинга и именно вследствие него, теоретически, черная дыра может перестать существовать (она постепенно испаряется излучая энергию) и превратиться в погасшую звезду. Данное утверждение справедливо в пределах квантовой физики, где материя может перемещаться путем туннелирования, преодолевая преграды которые невозможно преодолеть в обычных условиях.

Доподлинно неизвестно что происходит с материей, когда гравитационные силы черной дыры притягивают ее и она проходит горизонт событий. С теоретической точки зрения, вероятно, тело/материя после прохождения горизонта событий попадает в так называемую сингулярность, а перед этим разрушается, вследствие гравитационных сил.

Гравитационная сингулярность – это точка в пространстве-времени, где привычные нам законы физики с большой долей вероятности не работают или работают по другому. Например, величины описывающие гравитацию в нормальных условиях, в условиях сингулярности могут быть бесконечными или неопределенными.

Почему на фотографии вокруг черной дыры присутствует свечение?

Watch this video on YouTube

Об акреционных кольцах черной дыры

Свечение вокруг черной дыры это не фотошоп и не компьютерные спецэффекты. В силу законов притяжения, черные дыры притягивают к себе все что попадает в зону действия ее гравитации. Это может быть газ, пыль и другие материи. При этом вещество, попадая под притяжение черной дыры не падает на ее поверхность сразу, а начинает вращаться по окружной орбите. Во время вращения оно нагревается из-за колоссальной скорости и трения, и излучает рентгеновское излучение, радиацию. Видимое вращение светящейся материи называется аккреционным диском, именно оно и отображено на фотографии черной дыры в начале статьи.

Какие еще существуют способы обнаружения черных дыр

Телескопы, которые изучают черные дыры, смотрят на их окружающую среду, где материал находится очень близко к горизонту событий. Вещество нагревается до миллионов градусов и светится рентгеновскими лучами. Огромная гравитация черных дыр также искажает само пространство, поэтому можно увидеть влияние невидимого гравитационного притяжения на звезды и другие объекты.

Откуда они вообще берутся?

Мы уже писали о том как образуются черные дыры (1 из вариантов) – это возможная, следующая фаза эволюции звезды. Это было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, которая говорит о том что когда умирает массивная звезда, от нее остается относительно небольшое и плотное ядро. Как показывает уравнение – если масса ядра более чем в 3 раза превышает массу солнца, то сила гравитации подавляет все остальные силы и создает черную дыру, вследствие критического сжатия материи.

как образуются черные дыры

Более того, во время коллапса происходит очень странная вещь, о чем описано на официальном сайте НАСА… По теории, звезда должна разрушиться вследствие сверхмощного сжатия, однако, так как ее поверхность приближается к аномальной зоне, именуемой «горизонтом событий» время замедляется, относительно времени внешнего наблюдателя, а когда звезда достигает горизонта событий, то оно вовсе останавливается и звезда уже не может разрушиться, получается замороженный коллапсирующий объект.

Кроме того, есть вероятность существования так называемых первичных черных дыр, которые были образованы во время зарождения вселенной. Гипотетически, если допустить что на начальной стадии развития вселенной были отклонения в неоднородности гравитационного поля и плотности материи, то путем гравитационного коллапса могли образовываться черные дыры. До сих пор такие объекты не были обнаружены, хотя и представляют ценность для изучения эффекта «испарения черных дыр» Стивена Хокинга.

Стивен Хокинг

В результате звездных столкновений, когда сталкиваются нейтронные звезды и черные дыры, возникает еще одна черная дыра. Такие выводы были сделаны учеными после анализа информации (мощные гамма-всплески), которая была зафиксирована телескопами Свифт и Хаббл.

Судя по количеству звезд, достаточно больших для образования черных дыр, ученые считают, что в одном только Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов, до миллиардов черных дыр.

Еще одним из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые затем разрушаются, образуя черные дыры средней массы. Звездные скопления затем опускаются в центр галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

  1. Движущаяся материя в половину скорости света
  2. Фотонное кольцо
  3. Внутреннее фотонное кольцо
  4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Рекомендуем: Что такое магнитная буря

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Интересные факты

  • Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
  • Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
  • Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
  • Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
  • Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
  • По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
  • Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.

Звезды, рождающие тьму

После того, как уравнения Эйнштейна были разобраны по полочкам, настало время с помощью сделанных выводов разбираться в устройстве Вселенной. В частности, в теории эволюции звезд. Ни для кого не секрет, что в нашем мире ничто не вечно. Даже звезды имеют свой цикл жизни, пусть и более долгий, нежели человек.

Одним из первых ученых, которые всерьез заинтересовались звездной эволюцией, стал молодой астрофизик Субраманьян Чандрасекар – уроженец Индии. В 1930 году он выпустил научную работу, в которой описывалось предполагаемое внутреннее строение звезд, а также циклы их жизни.

• Уже в начале 20 века ученые догадывались о таком явлении, как гравитационное сжатие (гравитационный коллапс). В определенный момент своей жизни звезда начинает сжиматься с огромной скоростью под действием гравитационных сил. Как правило, это происходит в момент смерти звезды, однако при гравитационном коллапсе есть несколько путей дальнейшего существования раскаленного шара.

Научный руководитель Чандрасекара Ральф Фаулер – уважаемый в свое время физик-теоретик – предполагал, что во время гравитационного коллапса любая звезда превращается в более мелкую и горячую – белого карлика. Но вышло так, что ученик «сломал» теорию учителя, которую разделяло большинство физиков начала прошлого века. Согласно работе молодого индуса, кончина звезды зависит от ее изначальной массы. Например, белыми карликами могут становиться только те звезды, чья масса не превышала 1.44 от массы Солнца. Это число было названо пределом Чандрасекара. Если же масса звезды превышала этот предел, то она умирает совсем иначе. При определенных условиях, такая звезда в момент смерти может возродиться в новую, нейтронную звезду – еще одну загадку современной Вселенной. Теория относительности же подсказывает нам еще один вариант – сжатие звезды до сверхмалых величин, и вот здесь начинается самое интересное.

В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.

Теория Ландау понравилась астрофизикам, и они продолжили ее развивать. В 1939 году в Америке благодаря усилиям двух физиков – Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снейдера – появилась теория, подробно описывающая сверхмассивную звезду на момент коллапса. В результате такого события должна была появиться настоящая черная дыра. Несмотря на убедительность доводов, ученые продолжали отрицать возможность существования подобных тел, как и превращение в них звезд. Даже Эйнштейн отстранился от этой идеи, посчитав, что звезда не способна на такие феноменальные превращения. Другие же физики не скупились в высказываниях, называя возможность таких событий нелепыми.
Впрочем, наука всегда достигает истины, стоит лишь немного подождать. Так и получилось.

Бинарные чёрные дыры

В 2015 году астрономы с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше, чем 20 солнечных масс — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO обнаружило их», — сказал Дэвид Шумейкер, представитель LIGO Scientific Collaboration (LSC). Наблюдения ЛИГО также дают представление о том, в каком направлении вращается черная дыра. Поскольку две черные дыры вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существует две теории о том, как формируются бинарные черные дыры: 

  1. Первая предполагает, что две черные дыры в двоичной форме возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли (взорвались) примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, как и друг у друга, поэтому две черные дыры, также будут иметь такую же ориентацию.
  2. Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пару. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации по сравнению друг с другом. Наблюдения ЛИГО за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спинов дают более веские доказательства этой теории образования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику по бинарным системам черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Caltech, который базируется в обсерватории LIGO Hanford. «Это интересно, потому что некоторые модели бинарного образования черных дыр несколько предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы можем еще больше сузить этот вопрос.»

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий