10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый

Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?

В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.

Гигантомания

Даже самая большая черная дыра, по представлению современных ученых, может появиться по одному из четырех сценариев. Два из них — так называемые реалистичные — связаны с коллапсом. «Отжившая» свое звезда коллапсирует, или сжимается, в результате чего появляется нейтронная звезда. При массе в полтора наших Солнца, она имеет очень маленький диаметр — около двадцати километров, однако плотность вещества очень большая. Если же звезда обладала очень большой массой, то вместо нейтронной звезды появляется черная дыра.

Вторая из реалистичных версий предполагает, что появление рассматриваемого нами объекта может быть связано с коллапсом протогалактического газа или всей центральной части галактики.

Оставшиеся две — гипотетические — версии гласят, что, возможно, некоторые черные дыры во Вселенной существуют с момента Большого взрыва, их называют первичными. По второму предположению, они также могут быть образованы вследствие ядерных реакций высоких энергий.

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.

Факты и подробности

Что будет, если попасть в черную дыру? Этот вопрос — один из самых интересных. Ученые предполагают, что по мере приближения к ней тело человека начнет растягиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока он не превратится в поток частиц и не пересечет горизонт событий. Однако такой эффект будет наблюдаться, если черная дыра имеет звездную массу. Для сверхмассивных сценарий несколько другой, ввиду того что из-за их размера сингулярность находится достаточно далеко от горизонта.

Таким образом, путешественник сможет пересечь горизонт событий — край черной дыры, и довольно глубоко погрузиться в нее, прежде чем почувствует разрушительные эффекты. Скорость его движения будет постоянно ускоряться, пока не достигнет скорости света, а время — замедляться. Но и это еще не все!

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.

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.

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