Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары

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.

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.

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.

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.

Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной

Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.

Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.

Черные дыры пугают по трем причинам:

Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.

У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит.

Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.

Я изучаю черные дыры более 30 лет. В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик. Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.

Смерть от черной дыры

Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро ​​схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.

Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus. С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.

Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».

Читать еще:  Планеты и их спутники - Астрономия и Космос

Голодный зверь в каждой галактике

Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.

Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.

Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.

Черная дыра в галактике M87

Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения.

Массивные черные дыры опасны по двум причинам:

Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас.

Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.

Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике. По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.

Странные сверхмассивные черные дыры

Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света.

Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.

Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них. Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.

По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.

Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.

Образование

Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Читать еще:  НАСА патентует более быстрый и менее дорогой путь на Луну

Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются

Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.

Читайте «Хайтек» в

Что такое черная дыра

Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.

Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.

— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.

— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.

— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.

— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.

Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.

С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь .

При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.

Читать еще:  Общая характеристика планет земной группы - Астрономия и Космос

Открытие черных дыр

Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.

В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.

Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.

Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).

Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.

Существует несколько типов черных дыр:

  • Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
  • Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
  • Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
  • Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.

Сколько черных дыр во Вселенной?

Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.

Может ли чёрная дыра уничтожить Землю

Чёрные дыры не передвигаются по космосу, поглощая звёзды, луны и планеты. Земля не упадет в чёрную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.

Даже если бы в центре нашей системы образовалась чёрная дыра той же массы, что Солнце, Землю всё равно бы не затянуло туда. Чёрная дыра будет иметь ту же гравитацию, что и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг неё, как они вращаются вокруг Солнца.

В любом случае Солнце не такая большая звезда, чтобы когда-то превратиться в чёрную дыру.

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.

Давайте обсудим Черные Дыры в нашем Telegram-канале?

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector