Что находится внутри черной дыры: Что с вами произойдет внутри черной дыры?

Что с вами произойдет внутри черной дыры?

• Аманда Гефтер
• BBC Earth

6 июля 2015

Автор фото, Thinkstock

Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в черную дыру, ждет мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной, рассказывает корреспондент BBC Earth.

Что произойдет с вами, если вы попадете внутрь черной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит – или, наоборот, разорвет на клочки? Но в действительности все гораздо страннее.

В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же – вы нырнете вглубь черной дыры живым и невредимым.

Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство.

Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.

Массивная звезда, израсходовавшая все топливо, может превратиться именно в тот тип сверхплотной материи, который необходим для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум вокруг нее. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится абсолютно черной – это и есть черная дыра.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Никто точно не знает, что происходит внутри черной дыры

Внешняя поверхность черной дыры называется горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть черную дыру. Если пересечь горизонт событий, вырваться будет уже невозможно.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга – в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, черная дыра, тем не менее, “испаряется” – со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.

По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Пространство и время в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.

Никто не знает, что именно ждет человека, попавшего в центр черной дыры. Иная вселенная? Забвение? Задняя стенка книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме “Интерстеллар”? Это загадка.

Давайте порассуждаем – на вашем примере – о том, что произойдет, если случайно попасть в черную дыру. Компанию в этом эксперименте вам составит внешний наблюдатель – назовем его Анной. Итак, Анна, находящаяся на безопасном расстоянии, в ужасе наблюдает за тем, как вы приближаетесь к границе черной дыры. С ее точки зрения события будут развиваться весьма странным образом.

По мере вашего приближения к горизонту событий Анна будет видеть, как вы вытягиваетесь в длину и сужаетесь в ширину, будто она рассматривает вас в гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы будете подлетать к горизонту событий, тем больше Анне будет казаться, что ваша скорость падает.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

В центре черной дыры пространство бесконечно искривлено

Вы не сможете докричаться до Анны (поскольку в безвоздушном пространстве звук не передается), но можете попытаться подать ей знак азбукой Морзе при помощи фонарика в вашем iPhone. Однако ваши сигналы будут достигать ее со все возрастающими интервалами, а частота света, испускаемого фонариком, будет смещаться в сторону красного (длинноволнового) участка спектра. Вот как это будет выглядеть: “Порядок, п о р я д о к, п о р я…”.

Когда вы достигнете горизонта событий, то, с точки зрения Анны, замрете на месте, как если бы кто-то поставил воспроизведение на паузу. Вы останетесь в неподвижности, растянутым по поверхности горизонта событий, и вас начнет охватывать все возрастающий жар.

С точки зрения Анны, вас будут медленно убивать растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга. Прежде чем вы пересечете горизонт событий и углубитесь в недра черной дыры, от вас останется один пепел.

Но не спешите заказывать панихиду – давайте на время забудем об Анне и посмотрим на эту ужасную сцену с вашей точки зрения. А с вашей точки зрения будет происходить нечто еще более странное, то есть ровным счетом ничего особенного.

Вы летите прямиком в одну из самых зловещих точек Вселенной, не испытывая при этом ни малейшей тряски – не говоря уже о растяжении пространства, замедлении времени или жаре излучения. Все потому, что вы находитесь в состоянии свободного падения и поэтому не чувствуете своего веса – именно это Эйнштейн назвал “самой удачной идеей” своей жизни.

Действительно, горизонт событий – это не кирпичная стена в космосе, а явление, обусловленное точкой зрения наблюдающего. Наблюдатель, остающийся снаружи черной дыры, не может заглянуть внутрь сквозь горизонт событий, но это его проблема, а не ваша. С вашей точки зрения никакого горизонта не существует.

Если бы размеры нашей черной дыры были меньше, вы и правда столкнулись бы с проблемой – гравитация действовала бы на ваше тело неравномерно, и вас вытянуло бы в макаронину. Но, по счастью для вас, данная черная дыра велика – она в миллионы раз массивнее Солнца, так что гравитационная сила достаточно слаба, чтобы можно было ею пренебречь.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Вы не можете вернуться и выбраться из черной дыры – точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое

Внутри достаточно крупной черной дыры вы даже сможете вполне нормально прожить остаток жизни, пока не умрете в гравитационной сингулярности.

Вы можете спросить, насколько нормальной может быть жизнь человека, помимо воли увлекаемого к дыре в пространственно-временном континууме без шанса на то, чтобы когда-нибудь выбраться наружу?

Но если вдуматься, нам всем знакомо это ощущение – только применительно ко времени, а не к пространству. Время идет только вперед и никогда вспять, и оно действительно влечет нас за собою помимо нашей воли, не оставляя нам шанса на возвращение в прошлое.

Это не просто аналогия. Черные дыры искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что внутри горизонта событий время и пространство меняются местами. В каком-то смысле вас влечет к сингулярности не пространство, а время. Вы не можете вернуться назад и выбраться из черной дыры – точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое.

Возможно, теперь вы задаетесь вопросом, что же не так с Анной. Вы летите себе в пустом пространстве черной дыры и с вами все в порядке, а она оплакивает вашу гибель, утверждая, что вас испепелило излучение Хокинга с внешней стороны горизонта событий. Уж не галлюцинирует ли она?

В действительности утверждение Анны совершенно справедливо. С ее точки зрения, вас действительно поджарило на горизонте событий. И это не иллюзия. Анна может даже собрать ваш пепел и отослать его вашим родным.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Горизонт событий — не кирпичная стена, он проницаем

Дело в том, что, в соответствии с законами квантовой физики, с точки зрения Анны вы не можете пересечь горизонт событий и должны остаться с внешней стороны черной дыры, поскольку информация никогда не теряется безвозвратно. Каждый бит информации, отвечающий за ваше существование, обязан оставаться на внешней поверхности горизонта событий – иначе с точки зрения Анны, будут нарушены законы физики.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы пролетели сквозь горизонт событий живыми и невредимыми, не повстречав на своем пути ни горячих частиц, ни каких-либо иных необычных явлений. В противном случае будет нарушена общая теория относительности.

Итак, законы физики хотят, чтобы вы одновременно находились снаружи черной дыры (в виде горстки пепла) и внутри нее (в целости и сохранности). И еще один немаловажный момент: согласно общим принципам квантовой механики, информацию нельзя клонировать. Вам нужно находиться в двух местах одновременно, но при этом лишь в одном экземпляре.

Такое парадоксальное явление физики называют термином “исчезновение информации в черной дыре”. По счастью, в 1990-х гг. ученым удалось этот парадокс разрешить.

Американский физик Леонард Зюсскинд понял, что никакого парадокса на самом деле нет, поскольку никто не увидит вашего клонирования. Анна будет наблюдать за одним вашим экземпляром, а вы – за другим. Вы с Анной никогда больше не встретитесь и не сможете сравнить наблюдения. А третьего наблюдателя, который мог бы наблюдать за вами как снаружи, так и изнутри черной дыры одновременно, не существует. Таким образом, законы физики не нарушаются.

Разве что вы захотите узнать, какой из ваших экземпляров реален, а какой нет. Живы вы в действительности или умерли?

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Пролетит ли человек сквозь горизонт событий целым и невредимым или врежется в огненную стену?

Дело в том, что никакого “в действительности” нет. Реальность зависит от наблюдателя. Существует “в действительности” с точки зрения Анны и “в действительности” с вашей точки зрения. Вот и всё.

Почти всё. Летом 2012 г. физики Ахмед Альмхеири, Дональд Маролф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные под английской аббревиатурой из первых букв своих фамилий как AMPS, предложили мысленный эксперимент, который грозил перевернуть наше представление о черных дырах.

По словам ученых, разрешение противоречия, предложенное Зюсскиндом, основывается на том, что разногласие в оценке происходящего между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Неважно, действительно ли Анна видела, как один из двух ваших экземпляров погиб в огне излучения Хокинга, поскольку горизонт событий не давал ей увидеть ваш второй экземпляр, улетающей вглубь черной дыры.

Но что, если бы у Анны имелся способ узнать, что происходит по ту сторону горизонта событий, не пересекая его?

Общая теория относительности говорит нам, что это невозможно, но квантовая механика слегка размывает жесткие правила. Анна могла бы одним глазком заглянуть за горизонт событий при помощи того, что Эйнштейн называл “жутким дальнодействием”.

Речь идет о квантовой запутанности – явлении, при котором квантовые состояния двух или более частиц, разделенных пространством, загадочным образом оказываются взаимозависимыми. Эти частицы теперь формируют единое и неделимое целое, а информация, необходимая для описания этого целого, заключена не в той или иной частице, а во взаимосвязи между ними.

Идея, выдвинутая AMPS, звучит следующим образом. Предположим, Анна берет частицу поблизости от горизонта событий – назовем ее частицей A.

Если ее версия произошедшего с вами соответствует действительности, то есть вас убило излучение Хокинга с внешней стороны черной дыры, значит, частица A должна быть взаимосвязана с другой частицей – B, которая также должна находиться с внешней стороны горизонта событий.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Черные дыры могут притягивать к себе материю близлежащих звезд

Если действительности соответствует ваше видение событий, и вы живы-здоровы с внутренней стороны, тогда частица A должна быть взаимосвязана с частицей C, находящейся где-то внутри черной дыры.

Прелесть этой теории заключается в том, что каждая из частиц может быть взаимосвязана только с одной другой частицей. Это значит, что частица A связана или с частицей B, или с частицей C, но не с обеими одновременно.

Итак, Анна берет свою частицу A и пропускает ее через имеющуюся у нее машинку для расшифровки запутанности, которая дает ответ – связана ли эта частица с частицей B или с частицей C.

Если ответ – C, ваша точка зрения восторжествовала в нарушение законов квантовой механики. Если частица A связана с частицей C, находящейся в недрах черной дыры, то информация, описывающая их взаимозависимость, оказывается навсегда утерянной для Анны, что противоречит квантовому закону, согласно которому информация никогда не теряется.

Если же ответ – B, то, вопреки принципам общей теории относительности, права Анна. Если частица A связана с частицей B, вас действительно испепелило излучение Хокинга. Вместо того, чтобы пролететь сквозь горизонт событий, как того требует теория относительности, вы врезались в стену огня.

Итак, мы вернулись к вопросу, с которого начинали – что произойдет с человеком, попавшим внутрь черной дыры? Пролетит ли он сквозь горизонт событий целым и невредимым благодаря реальности, которая удивительным образом зависит от наблюдателя, или врежется в огненную стену (black holes firewall, не путать с компьютерным термином firewall, “брандмауэр”, программным обеспечением, защищающим ваш компьютер в сети от несанкционированного вторжения – Ред. )?

Никто не знает ответа на этот вопрос, один из самых спорных вопросов теоретической физики.

Уже свыше 100 лет ученые пытаются примирить принципы общей теории относительности и квантовой физики в надежде на то, что в конце концов та или другая возобладает. Разрешение парадокса “огненной стены” должно ответить на вопрос, какие из принципов взяли верх, и помочь физикам создать всеобъемлющую теорию.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

А может, в следующий раз отправить в черную дыру Анну?

Решение парадокса исчезновения информации может крыться в дешифровальной машинке Анны. Определить, с какой именно другой частицей взаимосвязана частица A, чрезвычайно трудно. Физики Дэниэл Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хайден, который сейчас работает в калифорнийском Стэнфордском университете в Калифорнии, задались вопросом, сколько на это потребуется времени.

В 2013 г. они подсчитали, что даже при помощи наибыстрейшего компьютера, который возможно создать в соответствии с физическими законами, Анне потребовалось бы чрезвычайно много времени на то, чтобы расшифровать взаимосвязь между частицами – настолько много, что к тому моменту, как она получит ответ, черная дыра давным-давно испарится.

Если это так, вероятно, Анне просто не суждено когда-либо узнать, чья точка зрения соответствует действительности. В этом случае обе истории останутся одновременно правдивыми, реальность – зависящей от наблюдателя, и ни один из законов физики не будет нарушен.

Кроме того, связь между сверхсложными вычислениями (на которые наш наблюдатель, по всей видимости, не способен) и пространственно-временным континуумом может натолкнуть физиков на какие-то новые теоретические размышления.

Таким образом, черные дыры – не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь.

Если где-то и таится истинная природа реальности, искать ее лучше всего в черных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее все же снаружи. В крайнем случае можно в следующий раз отправить в черную дыру Анну – теперь ее очередь.

5 теорий о том, что происходит внутри черной дыры

Заглянуть за горизонт событий невозможно, но что-то же там должно происходить!  

Есть несколько научных теорий. Вот некоторые из них.

1. Удлинение по-итальянски

Одна из теорий гласит, что материя внутри черной дыры не стремится к центру по кратчайшему пути, а находится в состоянии очень быстро вращающегося вихря. Провалившись в черную дыру, ты очень сильно удлинишься и будешь вращаться вокруг центра. Ученые назвали этот процесс «спагеттификация». 

В пользу этой теории говорят процессы, которые происходят прямо за пределами горизонта событий, и ученые предполагают, что за его пределами эффект остается.

2. Пан пропал, но обещал вернуться антипаном

Теорию информационного парадокса черных дыр сформулировал Стивен Хокинг. Он предположил, что из объятий черной дыры кое-чему все-таки удается вырваться, это кое-что — излучение. А раз есть излучение, значит, со временем черные дыры сходят на нет. При этом с точки зрения квантовой механики черная дыра — неразрушаемый объект, он не может исчезнуть. 

Иными словами, согласно общей теории относительности и идеям Максвелла и Эйнштейна, ты в виде набора информации остаешься в черной дыре навсегда. А по мнению Хокинга, ты все же вернешься в наш мир в виде излучения (имени Хокинга). 

В рамках этой теории очень сложно рассуждать в терминах вроде «выживет ли космонавт». Речь идет о сохранении квантовых чисел, то есть зарядов элементарных частиц, а также о переходах из материи в антиматерию и обратно. 

Хотя понять это все равно проще, чем сюжет фильма «Тенет». 

3. Заходим, не стесняемся

Самая позитивная теория: в черной дыре с тобой не случится ничего плохого. Ученые только-только подтвердили само существование черных дыр, но во многих аспектах это все еще сильно теоретизированный космический объект.

Мы знаем наверняка, что за пределы горизонта событий не выходит свет. Не исключено, что это касается только света, а сам сверхмассивный гравитационный объект находится глубоко за горизонтом событий. Зонд или звездолет сможет легко влететь внутрь, разведать, что там и как, и свободно вылететь обратно. 

4. Белая дыра

Помнишь старый глупый анекдот про двух блондинок и холодильник? 

Блондинка выключает свет в комнате и спрашивает другую: «Видишь, свет пропал! А знаешь куда он делся?» Вторая недоумевает: «Нет! А куда?» Первая, открывая холодильник: «А вот где он!»

Представь себе, что это реальная история, однако спорили не блондинки, а Альберт Эйнштейн со Стивеном Хокингом. А холодильник — черная дыра. 

Если черная дыра не выпускает за свои пределы свет, то что же тогда с ним происходит внутри черной дыры? Одна из теорий утверждает, что внутри черных дыр в действительности находятся другие вселенные, но, в в отличие от нашей вселенной, в сжатом виде. А мета-вселенная — это матрешка из вселенных. 

Черные дыры: фото, факты, комментарии ученых

Черные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной. Разбираемся вместе с астрофизиком Сергеем Поповым, что это такое и почему для их съемки нужны телескопы со всего мира

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.

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.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

Визуализация черной дыры рядом со звездой (Фото: NASA)

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Визуализация квазара (Фото: NASA)

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Визуализация двух черных дыр (Фото: NASA)

Как сфотографировать черную дыру

Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.

То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.

Первая фотография черной дыры (Фото: NASA)

По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.

Галактика М87 (Фото: NASA)

Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.

Жизнь внутри черной дыры / Хабр

Знаю, что здесь это якобы не приветствуется, но делаю кросс-пост

отсюда

по прямой просьбе автора — Горькавого Николая Николаевича. Есть некоторый шанс, что их идея перевернёт современную науку. И лучше прочитать о ней в оригинале, чем в пересказе рен-тв или ленты.ру.

Для тех, кто не следил за темой. Рассмотрим две вращающихся друг вокруг друга чёрных дыры, допустим, массами 15 и 20 единиц (масс Солнца). Рано или поздно они сольются в одну черную дыру, но её масса будет не 35 единиц, а, скажем, всего 30. Остальные 5 улетят в виде гравитационных волн. Именно эту энергию улавливает гравитационный телескоп LIGO.

Суть идеи Горькавого и Василькова в следующем. Допустим, вы наблюдатель, сидите в своём кресле и чувствуете притяжение 35 единиц массы делить на квадрат расстояния. И тут бац — буквально за секунду их масса уменьшается до 30 единиц. Для вас, в силу принципа относительности, это будет неотличимо от ситуации, когда вас отбросило в обратном направлении с силой в 5 единиц, делить на квадрат расстояния. То есть, неотличимо от антигравитации.

UPD: т.к. не все поняли предыдущий абзац, рассмотрим мысленный эксперимент по аналогии, предложенной в комменте 0serg. Итак, вы — наблюдатель, сидите в танке, который вращается по очень высокой круговой орбите вокруг центра масс этой пары ЧД. Как говаривал ещё дедушка Эйнштейн, не выглядывая из танка, вы никак не можете отличить движение по орбите от просто висения на месте где-то в межгалактическом пространстве. Теперь, предположим, произошло слияние ЧД, и часть их массы улетела. В связи с этим вы должны будете перейти на более высокую орбиту вокруг всё того же центра масс, но уже объединённой ЧД. И вот этот переход на другую орбиту вы у себя в танке ощутите (спасибо ofmetal ) внешние наблюдатели на бесконечности расценят как пинок, толкнувший вас в направлении от центра масс. /UPD

Дальше там идёт куча расчётов с жуткими ОТОшными тензорами. Эти расчёты после тщательнейшей проверки опубликованы в двух статьях в MNRAS — одном из самых авторитетных журналов по астрофизике в мире. Ссылки на статьи: 2016, 2018 (препринт с авторским введением).

А выводы там такие: никакого Большого Взрыва не было, зато была (и есть) Большая Чёрная Дыра. Которая нас всех зохавает.

В данной статье автор (Николай Николаевич) пытается изложить всё это более-менее популярно. Под катом авторский текст, перепечатанный слово в слово.

---

После выхода двух основных статей с математическими решениями, на повестку дня вышла задача написания более популярной и широкой статьи, а также пропаганда возрождённой космической космологии. И тут оказалось, что удивительным образом на вторую статью успели отреагировать европейцы, которые уже пригласили меня сделать в июне пленарный доклад на 25 минут об ускорении Вселенной с переменной массой. Вижу в этом хороший признак: специалисты устали от «космологической темноты» и ищут альтернативу.

Также журналист Руслан Сафин прислал вопросы в связи с выходом второй статьи. Несколько сокращенная версия ответов была опубликована сегодня в «Южноуральской панораме» под таким заголовком от редакции «Внутри черной дыры. Астроном Николай Горькавый нашел центр Вселенной».

Во-первых, истины ради должен отметить, что именно Александр Васильков стал активно задаваться «наивным» вопросом: Есть ли у Вселенной центр? — чем и инициировал всю нашу дальнейшую космологическую работу. Так что мы искали и нашли этот центр вместе. Во-вторых, газета запросила наше совместное фото, но не дождалась, так что привожу его здесь вместе с полным текстом прочитанного Сашей и дополненного по его замечаниям интервью. Вот и мы: Александр Павлович Васильков слева, а я справа:

1. После выхода вашей первой с Васильковым статьи вы предположили, что наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной связано с преобладанием сил отталкивания над силами притяжения на больших расстояниях. В новой статье вы приходите к другому выводу — об относительном ускоренном расширении: нам кажется, что что-то ускоряется, потому что сами мы замедляемся. Что привело вас к этой мысли?

В статье 2016 года, вышедшей в журнале Королевского астрономического общества, мы с Александром Васильковым показали, что если гравитационная масса объекта меняется, то кроме обычного ньютоновского ускорения, вокруг него возникает дополнительная сила. Она падает обратно пропорционально расстоянию от объекта, то есть медленнее, чем ньютоновская сила, зависящая от квадрата расстояния. Поэтому новая сила должна доминировать на больших дистанциях. При уменьшении массы объекта, новая сила давала отталкивание или антигравитацию, при увеличении — возникало дополнительное притяжение, гипергравитация. Это был строгий математический результат, который модифицировал известное решение Шварцшильда и получался в рамках теории гравитации Эйнштейна. Вывод применим для массы любого размера и сделан для неподвижного наблюдателя.

Но при обсуждении этих результатов, мы словесно высказали дополнительные гипотезы – скорее надежды, что найденная антигравитация отвечает как за разлет Вселенной, так и за ускорение её расширения в глазах сопутствующих наблюдателей, то есть нас с вами. Во время работы над второй статьей, которая вышла в феврале этого года в том же журнале, и была уже непосредственно посвящена космологии, мы обнаружили, что реальность сложнее наших надежд. Да, найденная антигравитация отвечает за Большой Взрыв и очевидное расширение Вселенной – тут мы были правы в своих предположениях. Но едва заметное ускорение космологического расширения, обнаруженное наблюдателями в 1998 году, оказалось связанным не с антигравитацией, а с гипергравитацией из нашей работы 2016 года. Полученное строгое математическое решение однозначно указывает, что это ускорение будет иметь наблюдаемый знак только тогда, когда какая-то часть массы Вселенной растет, а не уменьшается. В своих качественных рассуждениях мы не учли, что динамика космологического расширения выглядит очень различно с точки зрения неподвижного наблюдателя и для сопутствующих наблюдателей, сидящих в разлетающихся галактиках.

Математика, которая умнее нас, приводит к следующей картине эволюции Вселенной: из-за слияния черных дыр и перехода их массы в гравитационные волны, масса коллапсирующей Вселенной прошлого цикла резко уменьшилась – и возникла сильная антигравитация, вызвавшая Большой Взрыв, то есть современное расширение Вселенной. Эта антигравитация потом уменьшилась и сменилась гипергравитацией из-за роста огромной черной дыры, возникшей в центре Вселенной. Она увеличивается из-за поглощения фоновых гравитационных волн, которые играют важную роль в динамике космоса. Именно этот рост Большой Черной Дыры вызвал растяжение наблюдаемой вокруг нас части Вселенной. Этот эффект был интерпретирован наблюдателями как ускорение расширения, но, на самом деле, это неравномерное торможение разлёта. Ведь если в колонне автомобилей задняя машина отстает от передней, то это может означать как ускорение первой машины, так и торможение задней. С математической точки зрения, влияние растущей Большой Черной Дыры вызывает появление в уравнениях Фридмана так называемой «космологической постоянной», отвечающей за наблюдаемое ускорение разбегания галактик. Расчеты квантовых теоретиков расходились с наблюдениями на 120 порядков, мы же вычислили её в рамках классической теории гравитации – и она хорошо совпала с данными спутника «Планк». А вывод, что масса Вселенной сейчас растет, дает прекрасную возможность построить циклическую модель Вселенной, о которой мечтали несколько поколений космологов, но она никак не давалась в руки. Вселенная – это огромный маятник, в котором черные дыры превращаются в гравитационные волны, а потом идёт обратный процесс. Здесь ключевую роль играет эйнштейновский вывод, что гравитационные волны не имеют гравитационной массы, что позволяет Вселенной менять свою массу и избегать необратимого коллапса.

2. Как появилась растущая Большая Черная Дыра, которая ответственна за относительное ускоренное расширение Вселенной?

Природа тёмная материи, которая, например, вызывала ускоренное вращение галактик, почти век была загадкой. Последние результаты обсерватории ЛИГО, которая поймала несколько гравитационных волн от сливающихся массивных черных дыр, приоткрыли завесу тайны. Ряд исследователей выдвинули модель, по которой темная материя состоит из черных дыр, при этом многие считают, что они попали к нам из прошлого цикла Вселенной. Действительно, черная дыра – единственный макроскопический объект, который невозможно уничтожить даже сжатием Вселенной. Если черные дыры составляют основную часть барионной массы космоса, то при сжатии Вселенной до размера в несколько световых лет, эти черные дыры будут активно сливаться друг с другом, сбрасывая значительную долю своей массы в гравитационные волны. В результате, общая масса Вселенной резко упадет, а на месте слияния облака мелких дыр останется огромная черная дыра размером порядка светового года и с массой в триллионы масс Солнца. Она — непременный результат коллапса Вселенной и слияния черных дыр, а после Большого Взрыва она начинает расти, поглощая гравитационное излучение и любую материю вокруг. Что такая супердыра возникнет на стадии коллапса Вселенной, понимали многие авторы, включая Пенроуза, но никто не знал, насколько важную роль в динамике последующего расширения Вселенной играет эта Большая Черная Дыра.

3. Как далеко от нас и где именно (в какой части неба) она находится? Каковы ее параметры?

Мы полагаем, что на расстоянии порядка пятидесяти миллиардов световых лет. 54 грамм или в миллиарды триллионов солнечных масс – то есть, она выросла в миллиард раз с момента своего возникновения! Но и эту информацию о массе Большой Черной Дыры мы получили с запаздыванием на миллиарды лет. В реальности Большая Черная Дыра уже значительно больше, но насколько — сказать трудно, нужны дополнительные исследования.

4. Можно ли с такого расстояния, на котором располагается эта БЧД, с помощью существующих инструментов увидеть если не ее саму, то хотя бы косвенные признаки, указывающие на ее присутствие в данной части Вселенной? При каких условиях она станет доступна для непосредственного изучения?

Изучив ускорение расширения Вселенной, и как оно зависит от времени, мы определим эволюцию параметров Большой Черной Дыры. Анизотропия космологических эффектов проявляется в распределении по небу флуктуаций реликтового излучения, в ориентации осей галактик и ряде других феноменов. Это тоже способы изучения Большой Черной Дыры на расстоянии. Непосредственно мы её тоже изучим, но попозже.

5. Что бы мы увидели, если бы могли слетать к этой БЧД? Можно ли в нее нырнуть без риска для жизни? Что мы найдем под ее поверхностью?

Насчет внутреннего пространства чёрных дыр даже в учебниках приводится масса противоречивой информации. Многие думают, что на границе черных дыр всех нас непременно разорвет приливными силами на мелкие ленточки – возникло даже словечко «спагеттифицирование». На самом деле, приливные силы на краю очень большой черной дыры совершенно незаметны, а согласно строгим решениям эйнштейновских уравнений, для падающего наблюдателя процесс пересечения границы черной дыры ничем не примечателен. Я полагаю, что под поверхностью Большой Чёрной Дыры мы увидим практически такую же Вселенную – те галактики, которые нырнули в неё пораньше. Главным различием будет смена разбегания галактик на их сближение: все исследователи согласны с тем, что внутри черной дыры всё падает к центру.

6. Если эта черная дыра растет, то однажды она засосет в себя всю остальную материю. Что случится тогда?

Граница Большой Черной Дыры уйдет на границу наблюдаемой Вселенной, и её судьба перестанет нас волновать. А Вселенная внутри дыры вступит во вторую фазу своего цикла – когда расширение сменяется сжатием. В этом нет ничего трагического, потому что на сжатие уйдет примерно те же многие миллиарды лет, которые потребовались для расширения. Разумные существа данного цикла Вселенной почувствуют проблемы через десятки миллиардов лет, когда температура реликтового излучения вырастет настолько, что планеты будут перегреваться из-за тёплого ночного неба. Может, для каких-то инопланетян, у кого солнце будет гаснуть, это станет, наоборот, спасением, пусть и временным — на сотню миллионов лет. Когда нынешняя Вселенная сожмётся до размера в несколько световых лет, то она снова сбросит свою массу, что вызовет Большой Взрыв. Начнется новый цикл расширения, а в центре Вселенной появится свеженькая Большая Черная Дыра.

7. Когда это событие (сваливание Вселенной в БЧД), по-вашему, должно произойти? Является ли этот временной интервал неизменным для всех циклов расширения/сжатия или может меняться?

Думаю, что космологические циклы с хорошей точностью следуют определенному периоду, связанному с общей массой и энергией Вселенной. Трудно сказать, на какой точно стадии своего цикла мы находимся – для этого нужно строить конкретные космологические модели с заданным количеством барионов, черных дыр, гравитационных волн и других видов излучения. Когда нас настигнет граница растущей Большой Черной Дыры? Расчеты показывают, что она непременно выйдет на сверхсветовой режим расширения – это не нарушает теорию относительности, потому что граница черной дыры не является материальным объектом. Но эта сверхсветовая скорость означает, что наша встреча с этой границей Большой Черной Дыры может произойти в любой момент – мы не сможем засечь её приближение по каким-то наблюдениям, которые ограничены скоростью света. Во избежание паники повторяю: ничего трагического в этом я не вижу, но космологи начнут замечать, как красное смещение далёких галактик будет сменяться на синее. Но для этого свет от них должен успеть к нам дойти.

8. Какие наблюдательные и теоретические данные говорят в пользу предложенной вами космологической модели или, может, делают ее даже обязательной?

Классические уравнения Фридмана основаны на принципе изотропности и однородности. Таким образом, обычная космология в принципе не могла рассматривать эффекты анизотропии, о которых говорят многие наблюдатели. Модифицированные уравнения Фридмана, полученные в нашей с Васильковым статье 2018 года, включают в себя анизотропные эффекты – ведь Большая Черная Дыра расположена в определенном направлении. Тем самым открываются возможности для изучения этих эффектов, что даст подтверждение и самой теории. Мы не строили новую космологию, мы просто вставляем недостающие динамические пружины в хорошо разработанную классическую космологию, которая возникла в середине 20 века, начиная с работ Гамова и его группы. Мы возрождаем эту классическую космологию, делая её частью обычной физики. Сейчас она не содержит никаких предположений о квантовой гравитации, о лишних пространственных измерениях и о темных сущностях вроде «инфляции», «вакуумных фазовых переходов», «темной энергии» и «темной материи». Она работает только в рамках классической и хорошо проверенной теории гравитации Эйнштейна, используя только известные компоненты космоса вроде черных дыр и гравитационных волн. Так как она хорошо объясняет наблюдаемые явления, то это делает её совершенно обязательной – согласно принципам науки. Космологических моделей много, а реальность одна. Возрожденная классическая космология поразительно элегантна и проста, поэтому я полагаю, что мы узнали истинный способ существования Вселенной.

---

UPD2: Комментарий Горькавого на ваши комментарии:

Не, я туда не пойду. Там на меня жалобу уже написали, то ли в ООН, то ли в Спортлото. Причем написал человек, который думает, что космонавт на орбитальной станции может замерить центробежную орбитальную силу с помощью пружинки. Тут надо еще разобраться, кто мракобес.

Ну, конечно, много смеху в комментах. «Свидетели Малдасены» — просто здорово. Попов и Штерн тоже блеснули. Ну, Попов — я просто не знаю, где он специалист, видел его статью, где он за год до Челябинского болида всех успокаивал, что космической опасности нет и опасны только астероиды в 10 км. Я не думаю, что он способен прочитать нашу статью, но Штерн явно в неё заглянул и изрёк. Ну — ладно я, но вот бы удивился бы англичанин, рецензент нашей статьи, с которым мы долго и тщательно обсуждали сферические симметрии, однородности и неоднородности в нашем решении, что он не отличает одно от другого… Просто восхищают меня эти ребята и те, для кого они авторитет.

Мои комментарии на комментарий на комментарии:

— Про пружинку писал другой автор

—

Комментарий Штерна

это вот:

Черная дыра — все статьи и новости

Черная дыра — область пространства-времени с настолько сильным гравитационным полем, что ничто, включая свет, не может ее покинуть. Граница, разделяющая черную дыру и внешнее пространство, называется горизонтом событий. Черная дыра возникает на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. На последних этапах своей жизни, когда у такой звезды заканчивается процесс горения ее химических элементов, ядро схлопывается и звезда коллапсирует. В результате коллапса, если ничто не может его остановить, возникает черная дыра. Типичная масса такого объекта превышает солнечную в десять раз.

За неимением наблюдательных данных, а также ввиду невозможности получить потенциальные сигналы из черной дыры, внутреннее ее устройство до сих пор остается неизвестным. Исходя из расчетов, возможно, что внутри каждой черной дыры находится сингулярность — точка пространства-времени, где его искривление (или некая другая физическая величина) достигает бесконечного значения.

Благодаря телескопам, работающим в рентгеновском и гамма-диапазонах, известно, что черные дыры являются достаточно распространенным явлением. Так, в центре Млечного Пути была обнаружена сверхмассивная черная дыра, масса которой превышает массу Солнца в миллион раз. Предполагается, что каждая дыра обладает свойством излучения Хокинга — гипотетическим процессом испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов. Согласно общей теории относительности, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные черные дыры, а некоторые из них (с начальной массой 10¹² кг) должны были бы заканчивать испаряться сегодня. Так как интенсивность испарения растет с уменьшением размера черной дыры, то последние стадии должны были бы стать взрывом черной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Впервые предположение о существовании черной дыры выдвинул ученый Джон Мичелл в 1783 году. Он утверждал, что если сжать Солнце до размеров около 6 км в диаметре, то свет не сможет его покинуть. Пьер-Симон Лаплас в своем труде «Изложение системы мира» 1796 года также фактически предсказал существование черных дыр. Сам термин был введен физиком-теоретиком Джоном Уилером в лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1969 году.

В феврале 2016 года было объявлено, что в конце 2015 года впервые были зафиксированы гравитационные волны. Физики пришли к выводу, что они были порождены двумя черными дырами в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной, вращающейся черной дыры. Открытие окончательно подтвердило существование данных объектов.

Источник картинки: http://bit. ly/209hlTf

Другие вселенные кажутся нам чёрными дырами

Некоторые чёрные дыры на самом деле могут быть другими вселенными. В них, возможно, имеются собственные галактики, планеты и разумная жизнь. Но всё это доступно лишь тем, кто находится внутри этого отдельного космоса. Обитатели же нашего мира видят чужую бесконечную вселенную как чёрную дыру скромных размеров.

Мы можем находить подобные дыры-вселенные уже с помощью действующих телескопов. И, что ещё более удивительно, именно из таких “свёрнутых миров” может состоять тёмная материя.

Такие неожиданные выводы сделаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters учёными из США, Японии и с острова Тайвань.

Богатые внутренние миры

Вести.Ru подробно рассказывали о теории мультивселенной. Напомним в двух словах, о чём речь.

Согласно законам квантовой физики, даже в пустоте энергия не может быть постоянно равна нулю. Она постоянно испытывает колебания и равна нулю лишь в среднем. Размах этих колебаний обычно очень мал, но исключительно редко могут происходить и крупные возмущения.

Как считает большинство специалистов, особенно крупное возмущение, случившееся 13,8 миллиарда лет назад, породило всю наблюдаемую Вселенную. Оно вызвало взрывное расширение пространства и появление материи в её нынешнем виде. Начало этого катастрофического расширения известно нам как Большой взрыв.

Вышеизложенную картину нельзя назвать общепринятой. Но всё же это самый популярный среди специалистов ответ на вопрос, что привело к Большому взрыву. А вот дальше начинаются более спорные, но очень заманчивые построения.

Некоторые теоретики считают вполне возможным, что возмущения, порождающие вселенные, происходили неоднократно. Вселенные появлялись внутри уже существующих миров, в том числе и нашего.

В таком “дочернем космосе” может возникнуть собственная материя, а также галактики, звёзды и разумные существа. Однако всё это можно заметить только изнутри. Для нас же, находящихся снаружи, он будет выглядеть как заурядная чёрная дыра. Мы никак не сможем попасть в пространство-время другой вселенной. Её обитателям тоже останется лишь догадываться о нашем существовании.

Может случиться и так, что возмущение, породившее новую вселенную, окажется слишком слабым. В этом случае она остановит своё расширение и схлопнется. В нашем мире на этом месте опять-таки возникнет чёрная дыра. Только на сей раз это будет просто чёрная дыра без всяких миров внутри.

В космосе должны быть чёрные дыры, оставшиеся с первой секунды существования Вселенной.

Ровесники космоса

Впрочем, рождение других вселенных внутри нашей – далеко не единственный процесс, порождающий чёрные дыры в начале времён. Есть и другие сценарии, и некоторые из них считаются неизбежными. Поэтому почти все космологи согласны с тем, что в первую секунду после Большого взрыва образовалось множество чёрных дыр. Это так называемые первичные чёрные дыры (ПЧД).

Такие тела имели самые разные массы, от ничтожных долей грамма до сотен тысяч солнц. Впрочем, до наших дней могли дотянуть только объекты массой с крупный астероид и выше. Все остальные уже испарились из-за излучения Хокинга.

Если бы наблюдатели открыли хотя бы одну чёрную дыру с массой меньше, чем у звезды, можно было бы с уверенностью сказать, что она первичная. Дело в том, что в современной Вселенной ничто не порождает настолько лёгких чёрных дыр. Однако подобные объекты ещё никогда не наблюдались. Это, впрочем, неудивительно: чёрные дыры вообще трудно обнаружить, а уж тем более если они не очень массивны. Пока есть лишь ограничения на численность первичных чёрных дыр по принципу “если бы их было больше, мы бы уже это заметили”.

Тёмные тайны

Астрономы стремятся открыть ПЧД по многим причинам. Одна из них состоит в том, что эти чёрные объекты – естественный кандидат на роль тёмной материи.

Мы подробно рассказывали о том, что это такое. Напомним, что тёмная материя проявляет себя только своей гравитацией. Её притяжение действует на звёзды и галактики, искривляет лучи далёких светил и так далее. Но что представляет собой это тяготеющее вещество? Мы до сих пор этого не знаем. Однако раз уж теоретики уверены в существовании первичных чёрных дыр, логично предположить, что они составляют как минимум часть тёмной материи.

Эксперты расходятся во мнениях, какая это часть. По данным некоторых исследований, на долю ПЧД приходится в лучшем случае доли процента от всей тёмной материи, иначе наблюдатели уже заметили бы их. Однако другие расчёты показывают, что первичные чёрные дыры с массой меньше лунной могли бы составлять всю тёмную материю, и астрономам всё ещё было бы непросто их обнаружить.

Чёрная дыра в роли гравитационной линзы может создать заметную для телескопа вспышку.

Охота за вселенными

Авторы нового исследования пошли ещё дальше. По их расчётам, один только процесс образования дочерних вселенных может породить всю тёмную материю. Согласно этой модели, она состоит из сохранившихся вселенных, для нас выглядящих как чёрные дыры, и настоящих ПЧД, возникших на месте схлопнувшихся дочерних вселенных.

Более того, астрономы заключили, что мы вполне в состоянии найти подобные объекты с помощью действующего телескопа Subaru диаметром 8,2 метра. Этот инструмент может каждые несколько минут фотографировать всю галактику Андромеды и различать на изображениях сто миллионов звёзд.

Если чёрная дыра или “закапсулированная” дочерняя вселенная проходит между светилом и телескопом, она работает как гравитационная линза. Наблюдатель видит, как яркость звезды внезапно повышается. Такие вспышки и будут служить индикаторами, сигнализирующими о существовании первичных чёрных дыр или внешне неотличимых от них вселенных.

Схема гравитационного линзирования звезды в галактике Андромеды первичной чёрной дырой.

К слову, одно похожее событие на Subaru уже наблюдалось. Наблюдатели зафиксировали нечто похожее на прохождение чёрной дыры, сопоставимой по массе с Луной. Однако экспертам не хватило данных, чтобы сделать окончательный вывод о природе явления.

Авторы считают, что систематический мониторинг галактики Андромеды с помощью Subaru мог бы проверить их теорию. Модель предсказывает, насколько часто телескоп должен обнаруживать гравитационное линзирование, если оно действительно порождено “вселенными в виде чёрных дыр”. А значит, наблюдения помогут понять, согласуется ли эта теория с фактами.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как отличить чёрные дыры от кротовых нор. Писали мы и о поисках чёрных дыр из гипотетической предыдущей вселенной.

Впервые обнаружен свет, вышедший из-за черной дыры

Астрофизик Стэнфордского университета Дэн Уилкинс (Dan Wilkins) наблюдал за рентгеновскими лучами, которые исходят от черной дыры. Она расположена в центре галактики I Zwicky 1, находящейся на расстоянии 800 миллионов световых лет от нас. Изучаемая Уилкинсом сверхмассивная черная дыра в 10 миллионов раз “тяжелее” Солнца.

Ученый заметил, что яркие рентгеновские вспышки не просто порождались чёрной дырой, но и отражались от газа, который втягивает в себя властительница космоса. По мере того как первоначальные вспышки затухали, рентгеновские телескопы (XMM-Newton ЕКА и NuSTAR НАСА) улавливали всё более слабые вспышки. Уилкинс очень удивился и решил тщательно разобраться в “увиденном”.

“Любой свет, попадающий в эту черную дыру, не выходит [во внешнее пространство], поэтому мы не должны видеть ничего, что находится за черной дырой, – объясняет Уилкинс. – Однако мы смогли это увидеть по той причине, что черная дыра искривляет пространство, закручивает вокруг себя магнитные поля и изменяет путь света”.

Открытие светового эха стало первым прямым наблюдением излучения, исходящего из-за черной дыры, и первым прямым подтверждением предсказания общей теорией относительности Эйнштейна. Великий ученый предполагал, как ведут себя магнитные поля в непосредственной близости от черных дыр, а также что они изменяют траектории света. Теперь же человечество оказалось технически готовым к непосредственной регистрации подобного феномена.

Открытое Уилкинсом явление подробно описано в статье, опубликованной журналом Nature.

“Пятьдесят лет назад, когда астрофизики начали размышлять о том, как магнитное поле может вести себя вблизи черной дыры, они понятия не имели, что однажды у нас могут появиться методы, чтобы наблюдать это напрямую и увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии”, – говорит Роджер Блэндфорд (Roger Blandford), соавтор статьи из Стэнфордского университета.

Открытие началось с изучения так называемой “короны” черной дыры. Корона и есть источник яркого рентгеновского излучения. Астрономы считают, что корону создает газ, который непрерывно втягивает в себя черная дыра. Корона выглядит как вращающийся вихрь (подобно вихрю воды, вытекающему из отверстия в ванне в канализацию).

Этот газовый вихрь разогревается до миллионов градусов и генерирует магнитные поля, которые скручиваются в узлы вращающейся черной дырой. При такой температуре электроны отделяются от атомов, создавая намагниченную плазму.

Когда магнитные поля искривляются мощной гравитацией черной дыры, они в конечном итоге “ломаются”, высвобождая запасенную энергию и производят электроны высокой энергии. Последние и становятся источником рентгеновского излучения.

Картина очень напоминает то, что происходит вокруг нашего Солнца, поэтому “вихрь” близ черной дыры и назвали короной.

Как выяснили учёные, часть излучения яркой вспышки рентгеновских лучей черной дыры I Zwicky 1 падала на газовый диск ее короны. Рентгеновские лучи, которые отражались от газа позади черной дыры, огибали её, и эти более слабые вспышки попадали в телескопы с задержкой. Наблюдения отражений (или эха) совпадают с предсказаниями Эйнштейна о том, как гравитация искривляет траектории излучения вокруг черных дыр.

Отраженные короной рентгеновские лучи имеют определенные “цвета” (длины волн). По мере того как рентгеновские лучи проходят вокруг черной дыры, их “цвета” слегка меняются.

Поскольку полученные астрономами рентгеновские эхо-сигналы имеют разные “цвета” и поступили в разное время (в зависимости от того, от какой части короны они отражаются), они дают много информации о происходящем вокруг черной дыры.

Астрономы хотят в дальнейшем использовать это для создания трехмерной карты окрестностей черной дыры. Также ученым предстоит разобраться, как корона производит столь яркие рентгеновские вспышки.

Изучение удивительной короны черной дыры ученые продолжат при помощи рентгеновской обсерватории Европейского космического агентства “Афина”. Её отправка в космос запланирована на 2031 год.

Ранее мы рассказывали о том, как невероятно прожорливая чёрная дыра стала самым далёким радиомаяком во Вселенной. Также астрономы не так давно разглядели заграждение у края чёрной дыры. А еще мы писали о том, как искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление траекторий света.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе “Наука” на медиаплатформе “Смотрим”.

Черные дыры 101: что они такое

Что такое черные дыры? Как они сформированы? Из чего они сделаны? Куда они идут?

Это некоторые из общих вопросов, которые задают люди, когда думают или говорят о великих пожирателях Вселенной.

Мы попытались ответить на некоторые из наиболее часто встречающихся вопросов о черных дырах. Таким образом, это следует рассматривать как ответ на часто задаваемые вопросы.

Что такое черная дыра?

Черные дыры обычно определяют как «место в космосе, где гравитация действует так сильно, что даже свет не может выйти наружу.Гравитация настолько сильна, потому что [] вещество было сжато в крошечное пространство ». – НАСА.

Поскольку свет не может избежать гравитации дыры, он кажется полностью черным – отсюда и название. видно »с помощью специального анализа данных, собранных с большого количества телескопов (подробнее об этом позже).

Источник : Кристоф Везели / Wikimedia Commons

Как образуются черные дыры и какие они существуют?

Как форма черных дыр зависит от их типа и происхождения.На сегодняшний день ученым удалось определить по крайней мере четыре различных их типа:

• Миниатюрные / маленькие черные дыры
• Промежуточные черные дыры
• Звездные черные дыры
• Сверхмассивные черные дыры

Текущие теории предполагают, что маленькие или миниатюрные , черные дыры (некоторые размером с атом), вероятно, образовались в самые ранние моменты существования Вселенной. Эти крошечные черные дыры на сегодняшний день являются чисто теоретическими и считаются крошечными вихрями тьмы, пронизывающими всю Вселенную.

СВЯЗАННЫЙ: ЕСЛИ СОЛНЦЕ СТАЛО ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ, ПРОПАЛА ЛИ ЗЕМЛЯ?

Считается, что эти крошечные черные дыры имеют массу в сотни солнечных масс.

Подобно миниатюрным черным дырам, промежуточные черные дыры действительно известны только теоретически. Такие черные дыры имеют несколько сотен тысяч солнечных масс, а не миллионы или даже миллиарды солнечных масс, как их более крупные собратья.

Некоторые ученые считают, что промежуточные черные дыры образуются в результате слияния миниатюрных черных дыр.Другие считают, что, если они действительно существуют, то образовались бы в результате коллапса звезд с массой, равной сотням тысяч нашего собственного Солнца.

Излишне говорить, что в этой области нет единого мнения об этих загадочных черных дырах.

Художественный оттиск черной дыры, Источник: Cappan / iStock

Звездные черные дыры (около массы 20 наших Солнц или больше) создаются, когда массивные звезды схлопываются сами по себе.

«На заключительной стадии огромные звезды гаснут с мощными взрывами, известными как сверхновые. Такой взрыв выбрасывает звездную материю в космос, но оставляет за собой звездное ядро. Пока звезда была жива, ядерный синтез создавал постоянный внешний вид. толчок, который уравновешивает притяжение внутренней силы тяжести от собственной массы звезды. Однако в звездных остатках сверхновой больше нет сил, противодействующих этой гравитации, поэтому ядро ​​звезды начинает схлопываться само по себе ». – National Geographic

Если эта масса коллапсирует в бесконечно малую точку, рождается черная дыра, во много раз превышающая массу нашего Солнца.В нашей галактике могут быть тысячи таких черных дыр звездной массы.

Считается, что сверхмассивные черные дыры (примерно 1 миллиард массы нашего Солнца или больше) образуются одновременно с формированием галактики, в которой они обитают, и предсказываются Общей теорией относительности Эйнштейна. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра, Стрелец A * (произносится как «ай-звезда»), которая более чем в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца.

Кто первым открыл черные дыры?

В настоящее время все слышали о черных дырах, задумывались ли вы, кто их первым открыл?

С технической точки зрения, мы еще не «нашли» черную дыру, но мы можем сделать вывод об их существовании с помощью различных методов (подробнее об этом позже).При этом ученые размышляли о существовании чего-то подобного на протяжении сотен лет.

В 1783 году, например, английский священнослужитель и ученый-любитель по имени Джон Митчелл сумел показать, что закон всемирного тяготения Ньютона должен быть в состоянии показать место, где сила тяжести была настолько сильной, что свет не мог ускользнуть.

Он пошел еще дальше. Митчелл предположил, что, хотя они и будут невидимыми, они должны выявить свое присутствие, вмешиваясь в такие вещи, как звезды, которые могут вращаться вокруг них.

Джон Митчелл, Источник: Physics.org

Его теоретическая работа окажется на годы впереди своего времени с более поздней новаторской работой великого Альберта Эйнштейна.

Эйнштейн впервые предсказал, что такие вещи должны существовать еще в 1916 году в своей Общей теории относительности. По его словам, достаточно большие звезды должны иметь возможность коллапсировать под действием собственной гравитации и создавать то, что мы сегодня называем черными дырами.

Спустя десятилетия черные дыры оставались чисто теоретической концепцией, а фактический термин был введен американским астрономом Джоном Уилером только в 1967 году.

Работа Митчелла и Эйнштейна была позже подкреплена, когда два британских астронома, Луиза Вебстер и Пол Мердин независимо друг от друга заявили, что они открыли один в космосе. Мердин работал в Королевской Гринвичской обсерватории в Лондоне и Вебстере в Университете Торонто.

Они обнаружили интенсивный источник рентгеновского излучения, названный Лебедь X-1, вращающийся вокруг голубой звезды на расстоянии 6000 световых лет от нас. Это будет первый из многих.

Каким бы удивительным это ни было, только совсем недавно ученым удалось “увидеть” его впервые. Еще в 2019 году коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) удалось выпустить компьютеризированное изображение того, что считается черной дырой.

Первое изображение горизонта событий и аккреционного диска черной дыры. Источник : maxpixel / EHT

Само изображение представляет собой составную визуализацию петабайта данных, собранных с нескольких радиотелескопов, расположенных по всему миру.

EHT сфокусировал радиотелескопы на центр галактики Мессье 87 (Дева A), где, как считалось, таилась черная дыра.Эта галактика находится где-то в районе на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли в году.

Считается, что рассматриваемая черная дыра имеет массу около 6,5 миллиардов солнц. Команда пыталась исследовать горизонт событий и аккреционный диск черной дыры (большое облако горячего газа и пыли, застрявшее на орбите вокруг черной дыры).

Они сделали это и смогли отобразить внезапную потерю фотонов в пределах горизонта событий черной дыры. Это открытие оказалось революционным, поскольку есть надежда, что оно откроет совершенно новую область исследований природы черных дыр.

Что такое горизонт событий черной дыры и что это такое?

Горизонт событий черной дыры – это его внешняя граница. Это точка, в которой гравитационная сила преодолевает способность света избегать притяжения гравитации черной дыры. Чтобы сбежать с горизонта событий, вам нужно будет двигаться быстрее скорости света.

Источник : Pitris / iStock

Это буквальная точка невозврата – вы не можете сбежать, пройдя ее.По крайней мере, это было традиционное мнение.

Достопочтенный профессор Стивен Хокинг еще при жизни был непреклонен в том, что определение черной дыры должно быть изменено.

Он считал, что горизонты событий в их традиционном понимании вообще не существуют. Фактически, это «видимые горизонты» на краю черных дыр, где квантовая механика сходит с ума.

Он утверждал, что здесь виртуальные частицы появляются и исчезают, заставляя горизонт колебаться, а не действовать как определенная точка в пространстве. .

Теоретически эти «видимые горизонты» также являются точкой, где квантовые эффекты создают потоки горячих частиц, которые излучаются обратно во Вселенную – так называемое излучение Хокинга. Предполагается, что это в конечном итоге заставит черную дыру излучить всю свою массу и исчезнуть.

Что находится в центре черной дыры?

Сингулярность черной дыры или гравитационная сингулярность – это точка в самом центре черной дыры. Это одномерная точка, содержащая огромное количество массы в бесконечно малом пространстве.

Источник: dottedhippo / iStock

Здесь гравитация и плотность становятся бесконечными, пространство-время изгибается бесконечно, и считается, что законы известной физики больше не действуют.

Кип Торн, выдающийся американский физик, описывает это как «точку, где нарушаются все законы физики».

Как выглядит черная дыра?

Поскольку свет не может выйти за пределы горизонта событий черных дыр, их фактически нельзя «увидеть» в традиционном смысле. Однако мы можем сделать вывод об их существовании по их влиянию на другие тела в космосе (например, Солнца и газовые облака), которые мы можем видеть.

Скоро станет возможным обнаружить границу горизонта событий вокруг черной дыры – или, скорее, обнаружить исходящее от нее излучение Хокинга.

Источник: Pixabay

Теоретически излучение Хокинга состоит из фотонов, нейтрино и, в меньшей степени, всех видов массивных частиц.

Что бы случилось с вами, если бы вы упали в черную дыру?

Теоретически, пока это сверхмассивная черная дыра, вы ничего не почувствуете – вы фактически будете в свободном падении (что Эйнштейн однажды назвал своей «самой счастливой мыслью»).Вы бы существовали, а затем неизбежно перестали бы. Приливные силы станут слишком сильными, и вы не сможете дожить до горизонта событий, что приведет к спагеттификации (настоящий технический термин).

Но для наблюдателя это совсем другая история.

По мере приближения к горизонту событий вам будет казаться, что вы немедленно ускоряетесь, растягиваете и неприлично искажаете. Интересно, что по мере приближения к горизонту вам будет казаться, что вы двигаетесь в замедленном темпе, пока не замерзнете (как будто на паузе).

А теперь самое интересное.

Источник: Riddle / YouTube

По мере приближения к горизонту событий удаленный наблюдатель будет наблюдать, как ваше изображение замедляется и краснеет. Хотя ваше изображение могло бы застыть на горизонте событий, на практике вы бы исчезли: фотонам становится труднее выбраться из гравитационного колодца черной дыры, а длина их волн будет увеличиваться до тех пор, пока их нельзя будет больше обнаружить. Тогда изображение станет фактически невидимым. Таким образом, наблюдатель увидит, что ваше изображение со временем покраснеет и тускнеет, а затем полностью исчезнет.

Для черных дыр меньшего размера происходит процесс, обычно называемый «спагеттификацией». Это совсем другая и несколько более тревожная история.

Вот интересное видео именно на эту тему.

Что находится в центре черной дыры?

Часто постулируется, что в центре черной дыры находится нечто, называемое гравитационной сингулярностью или сингулярностью. Здесь гравитация и плотность бесконечны, а пространство-время простирается до бесконечности.

Источник: NINS

Никто не может сказать наверняка, на что похожа физика в этой точке черной дыры.

Какая черная дыра находится ближе всего к Земле?

Ближайшие к Земле черные дыры находятся на расстоянии тысяч световых лет от нас. На таком расстоянии эти черные дыры не окажут заметного влияния на нашу планету или ее окружающую среду.

На сегодняшний день ближайшая черная дыра, называемая V616 Monocerotosis, находится на расстоянии 3000 световых лет от нас, и имеет массу примерно , в 9-13 раз превышающую массу нашего Солнца. Следующим ближайшим к нам является Лебедь X-1 (около , 6000 световых лет от нас, с массой 15 солнц).

Следующим идет GRO J0422 + 32, который на самом деле является одним из самых маленьких, но «обнаруженных» и находится на расстоянии 7 800 световых лет от нас.

Насколько нам известно, ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра, Стрелец A *, находится в центре нашей родной галактики – Млечного Пути. Это чудовище находится примерно в , 27000 световых годах и от нас.

Исследования показывают, что черные дыры могут разрывать звезды на длинные косы. Источник : NASA / JPL-Caltech

Вы можете «найти» его примерно в направлении созвездия Стрельца.

Сверхмассивная черная дыра в нашей галактике, по оценкам, в несколько миллионов раз (примерно в 4,1 миллиона раза, если быть точным) масса нашего Солнца. Но не волнуйтесь, его огромное расстояние от нас напрямую не влияет на нашу Солнечную систему – по крайней мере, пока.

Считается, что примерно через 4 миллиарда лет наша галактика столкнется с нашей соседней галактикой Андромедой. Когда это происходит, звезды и соответствующие им черные дыры могут быть смешаны в новую смешанную галактику.

Однако черные дыры – это не совсем «космические пылесосы», как их изображают. Объекты должны быть достаточно близко к одному, чтобы их «засосало».

Концепция художника показывает две сливающиеся черные дыры, подобные тем, что были обнаружены LIGO, Источник : LIGO

Сколько времени нужно, чтобы черная дыра умирала?

Продолжительность жизни черной дыры зависит от ее массы. Вы можете действительно узнать это, только выполнив расчеты по квантовой теории поля, чтобы выяснить это, что, мягко говоря, сложно. 9 лет , но это не навсегда. Это означает, что когда все звезды и планеты давно исчезли, черные дыры будут доминировать, прежде чем в конечном итоге исчезнут сами.

Источник: dric / Pixabay

Сколько черных дыр во Вселенной?

Какова длина веревки? Сколько песчинок на пляже? Сколько звезд в Галактике? На эти вопросы почти невозможно ответить.

То же самое верно и для количества черных дыр во Вселенной, поскольку было постулировано, что их так много, что вы даже не можете рассчитывать их сосчитать.

Даже если бы мы попытались, мы никогда не получим правильный ответ, поскольку большая часть Вселенной будет навсегда скрыта от нашего обзора. Если бы такая попытка была сделана, нам сначала нужно было бы ограничить наш счет тем, что более правильно называется «Наблюдаемая Вселенная».

Однако мы можем сделать некоторые обоснованные предположения.

Черные дыры звездных масс образуются из сверхновых массивных звезд. Один только наш Млечный Путь, вероятно, содержит тысячи черных дыр звездных масс.

Это должно означать, что в нашей галактике может быть до 100 миллионов черных дыр звездного масштаба.Но теоретически это число увеличивается с каждой секундой.

Источник : Caltech News / Caltech

Считается, что новые черные дыры звездного типа образуются примерно раз в секунду.

Если мы говорим о сверхмассивных черных дырах, они имеют тенденцию скрываться в центре галактик. В нашей локальной области космоса может быть 100 миллиардов сверхмассивных черных дыр или около того.

Как можно обнаружить черную дыру?

Учитывая природу этих небесных явлений, на самом деле невозможно напрямую наблюдать их с помощью телескопов, которые полагаются на рентгеновские лучи, свет или любую другую форму электромагнитного излучения.

Скорее, их поиск или обнаружение требует немного нестандартного мышления. О них можно судить по их гравитационному воздействию на другие близлежащие вещества и объекты.

Классическим примером может быть черная дыра, проходящая через межзвездное облако. Это событие будет притягивать материю внутрь к черной дыре в процессе, известном как аккреция.

Концепция линзирования черной дыры, Источник : Керр Ньюман / Wikimedia Commons

Звезды также могут отклоняться от своего «нормального» движения, если они проходят рядом с черной дырой, или, конечно, могут быть разорваны на части.

В последнем сценарии вещество звезды ускоряется по мере того, как она движется к черной дыре, и это испускает рентгеновские лучи в космос.

«Недавние открытия предлагают некоторые соблазнительные доказательства того, что черные дыры оказывают драматическое влияние на окрестности вокруг них, испуская мощные гамма-всплески, пожирая близлежащие звезды и стимулируя рост новых звезд в одних областях и задерживая их в других». – НАСА.

Вы также можете «увидеть» периметр пространства, близкий к горизонту событий черных дыр, через нечто, называемое «эффектом линзирования» или гравитационным линзированием.

Вы также можете попытаться наблюдать излучение Хокинга черной дыры. Помимо этих методов, недавняя работа коллаборации EHT может открыть новые возможности не только для их обнаружения, но и для предварительных наблюдений за ними.

Можете ли вы уничтожить черную дыру?

Как мы видели выше, вам не нужно (если вы можете прожить достаточно долго), просто подождите, пока они уничтожат себя. Но теоретически возможно уничтожить черную дыру искусственно.

Источник : Ю Цзинчуань, Пекинский планетарий, 2019 г.

Оказывается, у черных дыр действительно может быть ахиллесова пята – их горизонты событий.Некоторые физики предположили, что, если бы мы могли увеличить угловой момент черной дыры и / или заряд горизонта событий, мы могли бы обратить вспять присущее ей неравенство.

Это, в свою очередь, приведет к рассеянию черной дыры и может просто выявить ее центральную сингулярность. Однако остается только гадать, как вы это сделаете.

Одна из главных проблем заключается в том, что все, что имеет угловой момент, также имеет массу. Если мы скармливаем черную дыру в попытке ее уничтожить, это переведет ее в динамическое состояние, и нет никакой гарантии, что она вернется в устойчивое состояние без сброса излишков, искусственно добавленных.

Но физики признают, что понятия не имеют, какими будут реальные последствия этого.

Что произойдет, если столкнутся две черные дыры?

Если бы две (одинаковой массы) столкнулись бы, в результате была бы одна новая черная дыра двойного размера. Но событие было бы невероятно жестоким.

Такое событие высвободило бы огромное количество энергии и могло бы вызвать долгую рябь в самой ткани пространства-времени, так называемую гравитационную рябь.

Хотя когда-то астрофизика была предметом научной фантастики и научной теории, она, похоже, на самом деле была способна обнаружить или «наблюдать» именно такое событие.

Могут ли черные дыры со временем схлопнуться?

Ответ на этот вопрос зависит от того, что вы понимаете под словом «коллапс».

Источник: solarseven / iStock

Если под коллапсом задающий вопрос подразумевает конец черной дыры, то да, они это делают. Черные дыры могут существовать очень долго, но они не «бессмертны».

Хотя они действительно вымирают со временем, это не потому, что они «разрушаются» в традиционном смысле этого слова.

Черные дыры, а именно их горизонты событий, становятся их крахом.Предполагается, что после того, как они поглотили всю возможную материю вокруг себя, они в конечном итоге испаряются, поскольку энергия и масса со временем истощаются из-за излучения Хокинга.

Но если мы рассмотрим значение слова «коллапс» буквально, то ответ действительно будет совсем другим. По сути, черные дыры – это само определение коллапса.

В этом смысле черные дыры не могут делать ничего, кроме коллапса.

Умирают ли черные дыры?

Да, рано или поздно.Но это действительно занимает очень много времени.

Процесс очень медленный и требует от черной дыры недостатка свежего вещества от других близлежащих небесных тел. Как мы упоминали ранее, процесс распада черной дыры – это испускание излучения Хокинга.

В большинстве случаев этот процесс, вероятно, займет больше времени, чем текущий возраст Вселенной. В качестве примера, если вы взяли черную дыру с массой нашего Солнца, для испарения потребуется где-то в районе 2 × 10 ⁶⁷ лет .

Чтобы представить это в перспективе, возраст Вселенной составляет всего 13,8 × 10 ⁹ лет. Для испарения такой черной дыры потребуется более 10 ⁵⁷ , умноженных на текущий возраст Вселенной. Замечательная мысль.

Из чего состоит черная дыра?

Проще говоря, мы не можем быть уверены. Черные дыры по определению – это области пространства-времени, где экстремальные гравитационные силы не позволяют чему-либо, включая свет, уйти.

Источник : blackdovfx / iStock

По мере прохождения горизонта событий, когда материя «уходит в кроличью нору», все больше и больше наше понимание того, что там происходит, полностью разваливается.

«Благодаря общей теории относительности мы думаем, что понимаем, что происходит в этой экстремальной гравитации, и с помощью квантовой механики мы можем сделать разумную оценку того, что происходит в меньших, микроскопических масштабах. Но если две теории объединить – как будто они находятся в центре черной дыры – они ломаются, оставляя нас без понятия, что происходит! ” – космические ответы.

Что находится по ту сторону черной дыры?

Это врата в другие вселенные? Возможно, они образуют червоточины, которые мы можем использовать, чтобы быстро обогнуть бескрайние просторы космоса? Эти и многие другие теории существуют относительно того, что могло бы быть по ту сторону черной дыры, но на самом деле считается, что реальность несколько разочаровывает.

Источник: SISSA

Эти массивные черные дыры – скорее конечная остановка, чем путь в другое место.

Хотя мы не можем быть полностью уверены в том, что происходит за горизонтом событий, большинство физиков согласны с тем, что вы никуда не денетесь. Пересечение точки невозврата означало бы, что все, что поглощается черной дырой, просто становится ее частью.

Это буквально дорога в никуда. Объекты, попадающие в черную дыру, разрываются и включаются в большую массу сущности, пока не окажутся внутри сингулярности.

Их жертва приведет к тому, что черная дыра станет немного больше и сильнее. Все это, и вместо того, чтобы найти какую-то нирвану, все, что вас ждет, – это разборка и смерть.

Кто являются ведущими учеными, чьи работы были посвящены черным дырам, и что они обнаружили / заявили?

Следующие 11 – некоторые из наиболее важных ученых, чьи труды помогли сформировать наше современное понимание черных дыр.

1. Джон Мичелл

Год основного открытия: 1783

Описание: Мичелл был английским натурфилософом и геологом, который родился в 1724 . Он написал письмо Генри Кавендишу, в котором постулирует идею такой большой массы, что даже свет не может избежать ее притяжения.

2. Пьер-Симон Лаплас

Год главного открытия: 1796

Описание: Лаплас был французским математиком и астрономом. Он продвигал ту же идею, что и Мишель, в своей книге « Exposition du système du Monde ».

3. Альберт Эйнштейн

Год главного открытия: 1915

Описание: Эйнштейн, немецко-американский физик-теоретик и всесторонний «задира» разработал свою общую теорию относительности.Это последовало за его демонстрацией того, что на свет может влиять сила тяжести.

Источник: Wikimedia Commons

4. Карл Шварцшильд

Год главного открытия: 1916

Описание: Шварцшильд, немецкий физик, первым представил приложение общей теории относительности, которое можно было использовать охарактеризовать черную дыру.

5. Артур Эддингтон

Год главного открытия: 1924

Описание: Эддингтон, британский астрофизик, заметил, что сингулярность в работе Эйнштейна может исчезнуть после изменения координат.

6. Роберт Оппенгеймер

Год главного открытия: 1939

Описание: Один из выдающихся физиков всех времен, Оппенгеймер предсказал, что нейтронные звезды с массой более 3 солнечных масс, вероятно, будут коллапсирует, образуя черные дыры.

7. Дэвид Финкельштейн

Год главного открытия: 1958

Описание: Финкельштейн, американский физик, признал, что поверхность Шварцшильда на самом деле была горизонтом событий.Он также смог расширить решение Шварцшильда для будущих наблюдателей, падающих в черную дыру.

8. Рой Керр

Год основного открытия: 1963

Описание: Керр, математик из Новой Зеландии, получил решение для вращающейся черной дыры.

9. Эзра Ньюман

Год основного открытия: 1965

Описание: Ньюман, американский физик, постулировал осесимметричное решение для черной дыры, которая одновременно вращается и электрически заряжена.

10. Джеймс Бардин

Год основного открытия: 1970-е годы

Описание: Бардин, американский физик, вместе с Джейкобом Бекенштейном, Брэндоном Картером и Стивеном Хокингом работал над формулировкой термодинамики черной дыры. .

11. Стивен Хокинг Источник: Lwp Kommunikáció / Flickr

Год главного открытия: 1974

Описание: Хокинг , британский физик-теоретик и космолог, показал, что черные дыры на самом деле не являются полностью ‘чернить’.Он предположил, что черные дыры испускают небольшое количество теплового излучения, называемого излучением Хокинга.

Поздравляю, вы дочитали статью до конца. К настоящему времени мы надеемся, что вы получили хорошее представление о том, что такое черные дыры, как они образуются и как они могут со временем умирать.

Но, если у вас все еще есть вопросы об этих странных космических явлениях, не стесняйтесь делиться своими мыслями в комментариях.

Что будет, если вы попадете в черную дыру?

Спагетти с черной дырой

Если бы вы свободно парили в космосе рядом с черной дырой звездной массы, которая ничем не питалась, вашим единственным намеком на ее существование могло бы быть гравитационное увеличение или эффект «линзирования», который она могла бы оказать на звезды заднего плана.

Но по мере приближения к этому странному месту вы будете растягиваться в одних направлениях и сдавливаться в других – процесс, который ученые называют спагеттификацией. Это потому, что гравитация черной дыры сжимает ваше тело по горизонтали, а в вертикальном направлении тянет его, как ириску. Если вы сначала прыгнете в черную дыру ногами, гравитационная сила на ваших пальцах ног будет намного сильнее, чем сила притяжения на вашу голову. Каждая часть вашего тела также будет удлинена в немного другом направлении.Вы в буквальном смысле будете выглядеть как кусок спагетти.

Итак, когда вы упали в черную дыру звездной массы, вы, вероятно, не сильно беспокоились бы о экзистенциальных загадках, которые вы могли бы раскрыть на «другой стороне». Вы будете мертвы, как кончик спагетти, за сотни миль, прежде чем вы попадете в сингулярность.

И этот сценарий также не полностью основан на теории и предположениях. Астрономы стали свидетелями такого «приливного срыва» еще в 2014 году, когда несколько космических телескопов зафиксировали звезду, блуждающую слишком близко к черной дыре.Звезда растянулась и разорвалась, в результате чего часть материала упала за горизонт событий, а остальная часть была отброшена обратно в космос.

Не уходи нежно в эту ночь черной дыры

В отличие от падения в черную дыру звездной массы, ваш опыт погружения в сверхмассивную черную дыру или черную дыру промежуточной массы будет немного менее кошмарным. Хотя конечный результат, ужасная смерть, по-прежнему будет вашей судьбой, вы, , могли бы на самом деле пройти весь путь до горизонта событий и начать падать внутрь сингулярности, пока еще живы.

В этом случае, по крайней мере теоретически, вы могли видеть окружающее пространство. Но никто не сможет увидеть вас, как только вы выйдете за горизонт событий. Даже если бы вы держали фонарик и пытались его осветить, свет упал бы обратно в сингулярность вместе с вами.

Между тем, вы увидите, что все в пределах горизонта событий было искажено экстремальными гравитационными силами, благодаря эффекту, который астрономы называют гравитационным линзированием. (Не говоря уже о диких эффектах замедления времени.)

Конечно, независимо от того, в какую черную дыру вы упадете, вас в конечном итоге разорвет на части чрезвычайная гравитация. Никакой материал, особенно мясистые человеческие тела, не мог выжить в целости и сохранности. Итак, как только вы выйдете за край горизонта событий, все готово. Выхода нет. Даже если бы вы были еще живы, вам пришлось бы двигаться быстрее скорости света, чтобы убежать. Но, как мы знаем, ничто в известной вселенной не может этого сделать.

Но пока не волнуйтесь; ближайшая к Земле черная дыра находится на расстоянии 1000 световых лет от Земли. Однако астрономы подозревают, что гораздо больше скрывается гораздо ближе, возможно, всего в нескольких десятках световых лет от Земли. Фактически, некоторые исследователи думают, что гипотетическая Девятая Планета далекой Солнечной системы на самом деле является изначальной черной дырой размером примерно с бейсбольный мяч.

Имея это в виду, возможно (хотя и маловероятно), что если люди проживут достаточно долго, чтобы стать пионерами передовых технологий космических путешествий, мы сможем близко посетить черную дыру. И если мы это сделаем, возможно, мы даже бросим несколько зондов в черную дыру, чтобы проверить, что происходит на горизонте событий.

К сожалению, поскольку ничто не может ускользнуть от горизонта событий, даже информация, мы никогда не сможем точно знать, что происходит, когда материя достигает точки невозврата. Так что, даже если у вас есть возможность погрузиться с космической скалы в черную дыру, из соображений безопасности вам, вероятно, следует сопротивляться этому побуждению.

Что внутри черной дыры, как они работают и какое отношение имеют к GPS? Астрофизик объясняет

Плохие черные дыры.У них такая плохая репутация. Все, что они делают, – это сидят и занимаются своими делами, иногда поедая звезду, и люди начинают думать, что они собираются засосать все в какой-то катастрофический конец, как настоящий космический пылесос.

Хорошо, хорошо, конечно. Если вы подойдете слишком близко к черной дыре, вы больше никогда не сможете выбраться отсюда. И да, они могут есть звезды. Но когда дело доходит до этого, они не такие опасные, как предполагает их репутация – это просто сверхплотные объекты, настолько плотные, что их гравитационное притяжение ничему не ускользает, даже свету.

В следующий раз, когда вы отправитесь на космическом корабле в черную дыру, обратите внимание на «горизонт событий». Вы не можете его увидеть, потому что там ничего нет, но это сферическая область вокруг черной дыры, которая отмечает точку невозврата.

Горизонт событий можно рассматривать как воображаемую поверхность черной дыры.

Если вы войдете в горизонт событий, вы больше никогда не сможете выбраться отсюда. Тем не менее, пока вы осматриваете достопримечательности, вы можете спокойно вращаться вокруг черной дыры, не падая в нее (пока вы находитесь за пределами горизонта событий).

О, но если вы чувствуете, что ваши ноги отрываются от головы, волнуйтесь … “приливные” силы могут быть настолько сильными возле черной дыры, что сила гравитации у ваших ног может быть намного сильнее, чем у вас в голове и ваше тело буквально разрывается на части.

Это известно как «спагеттификация», что является явным лидером в использовании самого крутого технического термина, который я знаю.

Как давно мы знаем о черных дырах?

Космолог из Квинслендского университета Тамара Дэвис. (ABC Science: Catalyst)

Идея чего-то с гравитационным притяжением настолько сильным, что ничто не может ускользнуть, была спекуляцией, выдвинутой задолго до того, как появилась наша современная теория гравитации.

Уже давно очевидно, что если вы подбросите что-то с поверхности Земли, оно обычно падает обратно, но если вы бросите его достаточно быстро (более 11 км в секунду – 40000 км в час – если не учитывать сопротивление воздуха), то тогда он может избежать гравитации Земли и никогда не вернуться.

В конце 1700-х годов Джон Мичелл размышлял о том, что произошло бы, если бы у вас была планета, на которой гравитация была настолько сильной, что скорость убегания превышала скорость света.Поскольку ничто не может развиваться так быстро, ничто не может сбежать – у вас будет черная дыра.

Современная концепция черных дыр возникла из теории относительности Эйнштейна. Несмотря на то, что теория относительности была разработана в 1910-х годах, серьезное изучение черных дыр началось только в 1960-х годах.

Именно тогда Джон Уиллер придумал термин «черная дыра» для описания этих сверхплотных объектов, из которых не мог выйти даже свет. В то время никто не знал, существуют ли они на самом деле или представляют собой математическую особенность.

Теперь мы знаем, что они вполне реальны, и с помощью современных телескопов мы постоянно наблюдаем их эффекты.

Зачем изучать черные дыры? Они забавны и полезны.

Черные дыры так интересно изучать, потому что они демонстрируют крайности многих неинтуитивных эффектов теории относительности (нашей теории гравитации).

Теперь мы знаем, что время и пространство искривляются и искривляются в ответ на массу и движение. Это означает, что даже если злодеи в фильме синхронизируют свои часы, как только они отойдут друг от друга, эта синхронность исчезнет.

Конечно, в повседневной жизни эффект настолько мал, что мы почти никогда его не заметим, а ограблениям злодеев не мешают искаженные часы.

Однако мы действительно используем этот эффект в повседневной жизни, когда используем глобальную систему позиционирования (GPS).

Спутники, передающие сигналы времени GPS, находятся на орбите, поэтому они движутся быстро (около 14 000 км в час) и находятся в слабом гравитационном поле (примерно на 20 000 км над нами).

Если бы мы не принимали во внимание общую теорию относительности, тактовая частота этих спутников сместилась бы примерно на 38 микросекунд в день, что привело бы к ошибке в вашем местоположении на 10 км!

Струи частиц извергаются из сверхмассивной черной дыры в соседней галактике Центавр А. (Прилагается: ESO / WFI / MPIfR / APEX / A.Weiss / NASA / CXC / CfA / R.Kraft)

Этот эффект искажения времени проявляется до крайности вблизи черных дыр. Часы на Земле тикают немного медленнее, чем часы в космосе, но если вы наблюдаете, как астронавт приближается к черной дыре, их время, казалось бы, резко замедлялось и казалось бы полностью замерзло, когда они достигли горизонта событий.

Первые советские ученые, работавшие над черными дырами, на самом деле сосредоточились на этом замораживающем время аспекте черных дыр, а не на том факте, что они захватывают свет.Так что русское название черной дыры переводится как «замерзшая звезда».

Черные дыры не сосут

Научная фантастика изображает черные дыры всепоглощающими монстрами, но для астрономов нет более прохладного места, чтобы попробовать и увидеть. Послушайте, как космическое головокружение исчезает за горизонтом событий.

Подробнее

У космонавта, падающего в черную дыру, этого замедления времени не наблюдается. Им кажется, что их часы счастливо тикают, и они ощущают, как время течет нормально.

Вместо этого они видят, что ваши часы ведут себя странно.

Пересекая горизонт событий, они могут даже не заметить. Только когда они попытаются убежать, они сочтут свои усилия бесполезными.

Независимо от того, сколько ракет они запустят, их неумолимо затянет в центр черной дыры, где они столкнутся с наименее понятной и наиболее спекулятивной частью истории черной дыры – сингулярностью.

Понимание сингулярности в ядре черной дыры может дать ответ на основные нерешенные вопросы физики.

Что за особенность?

Извините, срок действия этого видео истек. Астрофизики пытаются объяснить черные дыры.

Физика – это история о конкурирующих силах. Гравитация тянет вас к центру Земли. Причина, по которой вы не попадаете в центр, на самом деле связана с квантовой физикой – поведением частиц.

Частицы образуют атомы, а атомы испытывают давление и образуют сложные структуры, дающие нам «твердую почву», на которой мы можем стоять. Другими словами, здесь, на Земле, сила между атомами толкает наружу достаточно сильно, чтобы превзойти притягивающую силу гравитации.Спасибо за это физике!

Напротив, черная дыра возникает, когда гравитация становится настолько сильной, что силы между атомами и внутри них становятся слишком слабыми, чтобы предотвратить коллапс. Сожмите всю Землю в объем чайной ложки, и вы получите черную дыру (черные дыры не обязательно должны быть большими!). Чтобы превратить Солнце в черную дыру, вам придется сжать ее во что-то размером с Земля.

После того, как вы сжали что-то настолько сильно, что никакие эффекты квантовой физики больше не могут победить гравитацию, ничего не останется, чтобы помешать гравитации полностью – так что все втягивается в точку бесконечной плотности прямо в центре, глубоко внутри горизонт событий.В этом особенность.

А неужели рушится полностью? Может ли быть какой-то неизвестный эффект квантовой физики, который нам не хватает?

Ответ остается загадочным, потому что наши теории не закончены.

Причина, по которой сингулярность так загадочна, заключается в том, что мы знаем, что наши теории физики неполны.

Несмотря на то, что квантовая физика в высшей степени успешна как теория взаимодействий частиц, а общая теория относительности замечательно справляется с объяснением гравитации, мы знаем, что они несовместимы.

Квантовая физика не способна учесть искривление времени, которое, как мы знаем, имеет место в общей теории относительности. Стремление понять теорию, сочетающую квантовую физику и относительность, является движущей силой современной физики. И мы не сможем реально объяснить сингулярность черной дыры, пока у нас не будет такой теории.

Существует ли эффект квантовой физики, который предотвратит коллапс всего в нечто бесконечной плотности? Мы еще не знаем. Но одна из причин, по которой это интересно изучать, заключается в том, что нам нужна та же теория для объяснения другой потенциальной сингулярности – той, которая произошла в начале нашей Вселенной.

Если мы сможем понять сингулярность черной дыры, возможно, мы сможем также объяснить Большой взрыв – и таким образом узнать, как возникла наша Вселенная.

Сверхмассивная черная дыра в центре галактики Млечный Путь, Стрелец A *. (предоставлено: NASA / UMass / D. Wang et al / STScI)

Это большие вопросы. Это одна из причин, по которой астрофизики упорно трудятся над тем, чтобы наблюдать черные дыры всеми возможными способами, чтобы изучить, как они на самом деле ведут себя.

Вы можете спросить: «Постойте, если свет не может вырваться из черной дыры, как мы можем их наблюдать?» Что ж, даже если мы не видим их, мы можем увидеть их эффекты.

Например, если бы Солнце превратилось в черную дыру, Земля с радостью продолжала бы вращаться по орбите.

Солнце по-прежнему будет иметь ту же массу, только оно будет намного плотнее и темнее. Земля вращается вокруг чего-то невидимого.

Итак, один из способов поиска черных дыр – поиск звезд, вращающихся вокруг «ничего».

Самый драматичный и точный вид на это изображение – это видение звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре нашей собственной галактики, Стрельца A *.

После десятилетий наблюдения за ней астрофизики сняли фильм о движении звезд возле черной дыры.

Измеряя скорость движения звезд, мы можем вычислить, что черная дыра примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца, но меньше орбиты Меркурия.

Загрузка

Когда черные дыры сталкиваются

Но откуда на самом деле берутся черные дыры?

Один из способов создать черную дыру – это взрывная смерть массивных звезд.Когда они блуждают, сила взрыва иногда оставляет после себя плотное ядро: черную дыру.

После рождения черные дыры могут расти, поскольку они притягивают другую материю, другие звезды и даже другие черные дыры.

Раскрытие темной тайны Вселенной

Понимание темной энергии может быть ключом к разгадке самой неприятной тайны физики – и астрофизик профессор Тамара Дэвис находится в авангарде всемирных усилий по раскрытию ее секретов.

Подробнее

По мере того, как материя движется по спирали в черную дыру, подобно тому, как вода течет по спирали в пробке в вашей ванне, она может вызывать настолько сильные колебания силы тяжести, что порождает рябь в самом пространстве-времени.

Что приводит к самым крутым последним наблюдениям черных дыр: гравитационным волнам.

Когда черные дыры вращаются вокруг друг друга, они медленно вращаются вместе, пока не столкнутся и не сольются в одно из самых драматических событий в космосе.

Поскольку это черные дыры, это слияние происходит в скрытом режиме; мы не можем увидеть это при свете.

Однако такие столкновения вызывают сильную рябь в пространстве-времени. Эти «гравитационные волны» распространяются от черных дыр, как рябь после того, как камень падает в пруд, а когда гравитационные волны колеблются по Земле, они сжимают и растягивают нас на крошечную величину.

В 2015 году LIGO впервые обнаружила сигнал гравитационной волны. Он образовался от двух сливающихся черных дыр, каждая из которых примерно в 30 раз больше массы Солнца.

Благодаря этим наблюдениям мы впервые можем «услышать» космический звон.

Загрузка

Измерение первых гравитационных волн стало огромным подтверждением всех предсказаний общей теории относительности о том, какими должны быть черные дыры, и они заслуженно получили Нобелевскую премию в 2016 году.

Итак, я надеюсь, вы убедились, что черные дыры дыры – это странно и круто, а может, и не так загадочно, как вы думали.

Мы много знаем о них, о том, как они образуются, о том, как они себя ведут, и наше понимание недавно прошло строгие испытания, такие как близкое приближение звезды к черной дыре в центре нашей галактики и обнаружение гравитационные волны.

То, что мы узнаем, изучая черные дыры, влияет на нашу повседневную жизнь, например, в GPS.

Но на самом деле мы любим их изучать из-за увлекательности того, как устроена Вселенная, и потрясающих крайностей, на которые она способна.

Профессор Тамара Дэвис – космолог, изучающий темную материю и темную энергию в Университете Квинсленда. Чтобы узнать больше о черных дырах, смотрите Catalyst на iview.

Как на самом деле работают черные дыры?

ЛИГО / Т. Pyle

Научная фантастика часто полагалась на концепцию черных дыр как на средство сюжета, изображая их как порталы в другие вселенные или как средства передвижения для путешествий во времени. Но что происходит, когда мы убираем из этого вымысел? Что на самом деле происходит внутри этих ужасающих далеких существ?

Короче говоря, черные дыры – это массивные гравитационные ямы, которые искривляют пространство-время из-за их невероятно плотных центров или сингулярностей.. Когда звезда умирает, она быстро схлопывается внутрь. Когда она коллапсирует, звезда взрывается и превращается в сверхновую – катастрофическое изгнание внешнего вещества. Умирающая звезда продолжает коллапсировать, пока не станет сингулярностью – чем-то, состоящим из нулевого объема и бесконечной плотности. Именно это, казалось бы, невозможное противоречие является причиной образования черной дыры.

Чрезвычайная плотность новой сингулярности притягивает к себе все, включая пространство-время. Пространство-время в самом простом смысле – это объединение пространства и времени в один четырехмерный континуум.Итак, что будет, если его согнуть? Что ж, если бы вы столкнулись с черной дырой вблизи, время определенно пошло бы совсем иначе, чем здесь, на Земле. Если вы представите пространство-время в виде подвешенной плоской плоскости из Silly Putty, то создание сингулярности будет похоже на размещение шарика в центре. Мрамор резко согнет плоскость вниз, что приведет к удлинению любого взаимодействия с плоскостью по направлению к мрамору. То же самое происходит с черными дырами, хотя искажение, которое вы испытаете, будет немного более серьезным, чем что-либо, что может вызвать Silly Putty.

На краю черной дыры или на горизонте событий время начинает астрономически замедляться. Чем дальше вы углубитесь в черную дыру, тем более искаженным становится время. Некоторые теории даже предполагают, что если бы вы смогли пережить первоначальное попадание в черную дыру, то внутри образовались бы изображения будущего и прошлого одновременно – идея, согласующаяся с теорией мультивселенной Вселенной. Хотя это интересная концепция – и, без сомнения, она является источником многих фаворитов научной фантастики – из-за недоступности черных дыр, нет известного способа ее проверить.Однако общепринято то, что из-за искажения черной дырой пространственно-временного континуума время у основания ее горизонта событий течет намного медленнее, чем время на Земле.

Черные дыры трудно найти, но если бы вы не только нашли одну, но и вошли внутрь, вы бы обнаружили, что это фатально. Сильная гравитационная сила сингулярности тянет с разной скоростью, в зависимости от местоположения относительно центра, что может вызвать эффект «спагеттификации» на любой объект, которому не повезло оказаться внутри.Как и предполагает само слово, спагеттификация удлиняет рассматриваемый объект так, что он напоминает спагетти.

Возможно, мы никогда не сможем точно доказать, что происходит внутри черных дыр, хотя многие ученые проводят связь между сингулярностями и теорией большого взрыва, которая предполагает, что наша Вселенная возникла из того, что могло быть сингулярностью.

Черные дыры и почему время замедляется, когда вы рядом с ними

Брайан Грин дает визуальное исследование черных дыр и некоторых математических основ, лежащих в их основе.Это видео является эпизодом из его серии Daily Equation .

© Всемирный фестиваль науки

Что внутри черной дыры? Мы изучаем это

Физик Ана Алонсо-Серрано большую часть своей карьеры размышляла о том, что находится внутри черной дыры – объекта, который мир впервые увидел в апреле прошлого года.

Предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна как одно из решений его уравнений поля, черные дыры представляют собой сверхкомпактные объекты, которые существуют как последняя стадия гибели некоторых гигантских звезд.

Внутри черной дыры материя настолько плотна, что гравитационное поле объекта не позволяет свету уйти, а само пространство и время сильно искажены.

Родом из Мадрида, а теперь живущий в Берлине, Алонсо-Серрано также работал над червоточинами и концепцией мультивселенной, идеей о том, что мы существуем только в одной из многих вселенных.

На своем рабочем месте в Институте гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Потсдаме, Германия, она рассказала о характере своей работы, трудностях жизни исследователя и о том, что значит быть женщиной в самом мужском -доминирующая арена физики.

Как вы начали свою карьеру в области теоретической физики?

Я начал свою карьеру с изучения червоточин, работая над получением степени магистра. Червоточина – это ярлык между двумя частями пространства-времени, существование которого мы можем показать математически. Но для того, чтобы это произошло в действительности, нам нужно постулировать существование особого вида вещества, называемого «экзотической материей», которое нам еще предстоит наблюдать.

В моей работе изучались виды червоточин, которые могли существовать, их возможная геометрия, а также то, как они могут оставлять во Вселенной какую-то подпись или отпечаток, который можно было бы обнаружить.

Червоточины появляются в великой книге и фильме «Контакт», написанном Карлом Саганом, а позже с Джоди Фостер в главной роли. Кип Торн, один из лауреатов Нобелевской премии по физике 2017 года, помог Сагану придумать тип червоточины, которая будет действовать как ворота, через которые главный герой сможет путешествовать во времени или в другое место во Вселенной.

Что такое излучение и испарение черной дыры?

Когда черные дыры были первоначально предложены общей теорией относительности, ожидалось, что они будут иметь температуру абсолютного нуля. Но в 1970-х годах Стивен Хокинг постулировал, что на горизонте событий черной дыры есть некоторые квантовые свойства, связанные с температурой.

Итак, из-за этих квантовых эффектов, которые генерируют температуру, черные дыры испускают тепловое излучение, которое мы называем излучением Хокинга. Поскольку черные дыры имеют температуру и излучение, подразумевается, что они также испаряются.

Но для испарения всей черной дыры в большинстве случаев потребуется больше времени, чем время, в течение которого Вселенная уже существует.В любом случае мы ожидаем, что черные дыры будут расти, если они подпитываются быстрее, чем испаряются.

Что такое информационный парадокс черной дыры? И как вы работали над ее решением?

Из-за природы черных дыр, когда что-то падает, эта вещь исчезает навсегда. Кроме того, когда мы наблюдаем черную дыру, у нас нет информации о том, что в ней находится.Это отличается от других объектов во Вселенной, таких как планеты и звезды, где мы обычно можем получить некоторую информацию о них. Итак, излучение Хокинга и подразумеваемое испарение создают следующую проблему.

Черные дыры хранят много информации, потому что они поглощают все вокруг себя, но поскольку испарение полностью термическое, процесс испарения не дает никакой информации, а это означает, что информация о том, что вошло, теряется.Это нарушает квантовую механику, где все процессы унитарны, а это означает, что процессы, включая информацию, должны быть сохранены. Мы называем это нарушение информационным парадоксом черной дыры.

Первая в истории фотография черной дыры, сделанная с помощью глобальной сети телескопов и опубликованная в апреле. Фотография: телескоп Event Horizon / Национальный научный фонд / Reuters

Последние несколько лет я и мои коллеги работали над этой проблемой, и мы сделали предложение.Мы предлагаем новый способ утечки информации вместе с излучением Хокинга. Мы сделали это, рассматривая черную дыру не как закрытый ящик, как обычно с ней обращались, а как сущность, открытую для взаимодействия с остальной Вселенной, что, собственно, и работает в реальности. Мы еще не решили информационный парадокс, а просто показали новый способ работы над проблемой. Это всего лишь один подход.

Какую работу вы проделали над идеей мультивселенной и как мы можем обнаружить ее существование?

Ранее я работал над идеями, относящимися к теории мультивселенной, идеей, которая предполагает, что существует много разных вселенных.В моей работе изучались возможные связи между разными вселенными и то, как это может повлиять на параметры одной вселенной.

Сейчас я работаю над философией идеи; если нам это действительно нужно, решает ли он реальный вопрос или нет, или это чушь! Итак, мы попытались дать определение теории мультивселенной, которую можно опровергнуть. Мы изучили, какие отношения могут существовать между вселенными, чтобы увидеть, могут ли они внести какие-то изменения или отметки в нашей собственной Вселенной, которые мы затем могли бы обнаружить.

В частности, мы думаем о потенциальных эффектах взаимодействия между вселенными на космическом микроволновом фоне, который представляет собой электромагнитное излучение, наполнявшее Вселенную на ранней стадии, и у нас есть четкое изображение.

В целом, наши текущие космологические предсказания достаточно хорошо соответствуют космическому микроволновому фону, но не идеально. Например, есть некоторые области, которые выглядят как «холодные пустоты», которые мы не можем объяснить.Эти области представляют интерес для теоретиков мультивселенных, потому что они могут быть местами взаимодействия между вселенными. Моя собственная работа по этому вопросу включает поиск потенциальных наблюдательных признаков кротовых нор, которые могут обеспечить связь с другой вселенной.

Трудно ли вам работать исследователем из-за того, что вам приходится так много перемещаться?

Трудно все время двигаться.После завершения моей докторской диссертации в Мадриде я устроился постдоком в Веллингтоне, Новая Зеландия, затем переехал в Прагу, и теперь я уже полтора года здесь, в Институте Альберта Эйнштейна, живу в Берлине.

Я думаю, что на самом деле очень интересно переезжать из страны и работать с разными группами, но очевидно, что вы живете на чемодане и никогда не проводите достаточно времени, чтобы зарабатывать на жизнь в одном месте. Тогда есть риск, что, возможно, придется покинуть академию из-за ее высокой конкуренции.Теперь, возможно, это не проблема в возрасте 30 лет или около того, но можно представить, что позже, по мере того, как жизнь идет, становится все труднее сменить карьеру. Основная проблема – найти постоянную должность, ведь постдоком жить вечно не получится. Вот почему многие действительно талантливые люди должны покинуть сообщество.

Насколько сложно быть женщиной, занимающейся физикой, которая традиционно имеет одну из самых низких женских когорт во всей науке?

Жизнь в институтах, по крайней мере, в моем случае идет хорошо.Но иногда мне кажется, что на конференциях женщин судят по-другому. Обычно я думаю, что соотношение мужчин и женщин на конференциях, которые я посещаю, составляет примерно 10: 1. Иногда я слышу, как мужчины предполагают, что, поскольку я женщина, я добьюсь успеха в академической среде из-за некоторого представления о том, что теперь должности смещены в сторону женщин и что мы вступаем по квотам.

Но это неправда. Успешная подача заявок на финансирование по-прежнему зависит от качества ваших исследовательских работ и профиля исследования.Так что, я думаю, есть еще кое-что, чтобы изменить восприятие женщин в физике и науке в целом. Я также считаю, что важно иметь женские образцы для подражания в науке и обществе, и нам нужно больше настаивать на изменении имиджа физика как мужчины.

Конор Перселл пишет о науке, природе и философии, имеет докторскую степень в области наук о Земле. Он работает журналистом в Институте гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) @ConorPPurcell

Впервые вы можете увидеть, как выглядит черная дыра | Наука

Наконец-то мы видим это: черная дыра во плоти.Сегодня астрономы показали изображение гигантской черной дыры в сердце соседней галактики Мессье 87 (M87). Результат – огненное кольцо, окружающее самую черную из теней, – является мощным подтверждением теории гравитации Альберта Эйнштейна или общей теории относительности, которая использовалась для предсказания черных дыр 80 лет назад. Это также подвиг для команды из более чем 200 ученых, которые годами трудились над созданием изображения, комбинируя сигналы восьми отдельных радиообсерваторий со всего земного шара.

«Такое ощущение, что смотришь на врата ада», – говорит Хейно Фальке из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, один из лидеров коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая объявила о результатах в виде глобального набора скоординированных пресс-конференции. «Это конец пространства и времени». Фальке говорит, что двухлетний процесс обработки данных и создания изображений «был самым эмоционально сложным периодом в моей жизни».

Хотя мало кто сомневался в существовании черных дыр, увидеть их – или, по крайней мере, их тень – было огромной проблемой.Черные дыры обладают настолько сильными гравитационными полями, что даже свет не может выйти из них, поэтому они определяются оболочкой черной безликой сферы, называемой горизонтом событий. Но дыры все же видно. По мере того, как они поглощают материю, которая приближается слишком близко, они сжимают ее в перегретый диск светящегося газа.

На снимках, сделанных командой, нижняя часть кольца кажется яркой, потому что газы там подвергаются доплеровскому ускорению и направляются к Земле. Черная дыра изгибает свет вокруг себя, создавая круглую тень.Общая теория относительности предсказывает, что тень должна быть круглой с точностью до 10%, говорит Эйвери Бродерик, член EHT и астрофизик из Университета Ватерлоо в Канаде, тогда как альтернативные теории гравитации предсказывают искаженные некруглые формы. По словам Бродерика, наблюдаемая тень по существу круглая.

Данные телескопа Южного полюса, одной из радиотушек, используемых в телескопе горизонта событий, перезимовали в Антарктиде, прежде чем были объединены с другими данными.

Джунхан Ким / Университет Аризоны

Команда EHT из 13 организаций по всему миру провела наблюдения M87 * и черной дыры в центре нашего Млечного Пути, известной как Стрелец A * (Sgr A *), более 5 ночи в апреле 2017 года с использованием восьми радиотелескопов, чувствительных к длинам волн около миллиметра.На этой конкретной радиочастоте излучение может проникать сквозь дымку из пыли и газа, которая окружает центры галактик.

Но увеличить черные дыры все еще было непросто. Черные дыры упаковывают огромное количество массы в удивительно маленькое пространство. Черная дыра в центре M87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, поглотила массу 6,5 миллиардов солнц. Однако его горизонт событий составляет всего 40 миллиардов километров в поперечнике, что примерно в четыре раза больше диаметра орбиты Нептуна.

Ни один из существующих телескопов не имеет разрешения, чтобы увидеть такой далекий крошечный объект.Итак, команда EHT объединила большинство телескопов миллиметрового диапазона по всему миру и объединила их данные для создания виртуального телескопа размером с Землю с помощью процесса, называемого интерферометрией с очень длинной базой. Телескопы, которые они использовали, простирались от Гавайев до Аризоны, от Мексики до Испании и Чили до Южного полюса. «Вы можете думать о них как о посеребренных пятнах на глобальном зеркале», – говорит Шеп Доулман, руководитель проекта EHT в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. “Затем Земля поворачивается, и мы можем заполнить изображение.”

Сотрудничество провело более ранние наблюдения с меньшим количеством телескопов, но в 2017 году они впервые получили охватывающий весь земной шар массив, включающий мощность Большой миллиметровой / субмиллиметровой антенной решетки Атакамы в Чили с ее 64 антеннами. Миллиметровые волны подвержены влиянию облака, поэтому хорошая погода была важна. В апреле 2017 года боги погоды улыбнулись. «Это была одна из самых гладких частей проекта, – говорит член команды Фериал Озель из Университета Аризоны в Тусоне. – Некоторые бригады работали по 16 человек. или 18-часовые смены, но всему этому повезло », – говорит она, добавляя:« Анализировать данные было намного сложнее.”

С тех пор этот процесс занял все время. Объем данных был настолько велик, что их нельзя было передать на большие компьютеры в обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института в Вестфорде и Радиоастрономическом институте Макса Планка в Бонне. , Германия. Вместо этого его нужно было записать на диск и отправить, что создало проблему для телескопа Южного полюса. Он был заблокирован на зиму в Австралии, поэтому исследователи не получили его данные почти до конца 2017 года. .Всего было записано 4 петабайта, при каждом чтении с использованием атомных часов. Если бы эти данные были музыкой, записанной в формате MP3, на их воспроизведение ушло бы 8000 лет.

(ГРАФИКА) C. BICKEL / SCIENCE ; (ИЗОБРАЖЕНИЯ) СОТРУДНИЧЕСТВО С ТЕЛЕСКОПОМ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ ET AL ., ПИСЬМА АСТРОФИЗИЧЕСКОГО ЖУРНАЛА , VOL. 875, 3, 2019

«Это был довольно ужасный процесс – обработать все данные», – говорит Фальке. Мощные процессоры, называемые корреляторами, сравнивают показания пар телескопов на разных расстояниях и ориентации с черными дырами.Озель сравнивает это с построением трехмерного изображения тела с компьютерной томографией, но в этом случае у них нет всех необходимых ориентаций. «Мы должны были убедиться, что мы не заполняем данные таким образом, чтобы это могло повлиять на интерпретацию», – говорит она. Моника Мосцибродзка, координатор рабочей группы EHT в Университете Радбауд, говорит, что четыре независимые команды продублировали обработку данных, чтобы устранить предвзятость. Она говорит, что результат был убедительным, потому что за 4 дня наблюдений M87 * форма и размер тени были согласованными, а контраст между ярким кольцом и темной тенью был таким большим, как предсказывала теория.

Команда не сообщила результатов для гиганта нашей галактики, Sgr A *. Хотя он намного ближе, чем M87 *, он примерно в 1000 раз менее массивен и с меньшим горизонтом событий. Более того, он быстрее движется по небу, что усложняет наблюдения. Доулман говорит, что в следующий раз команда обратится к сержанту А *. «Мы ничего не обещаем», – говорит он. «Но мы надеемся, что скоро доберемся до этого».

Эйнштейну не нравилась идея черных дыр. Через несколько месяцев после того, как в 1915 году он опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий физик Карл Шварцшильд предложил решение уравнений Эйнштейна, согласно которому на определенном расстоянии от бесконечно малой точки массы гравитация должна быть настолько сильной, что ничто не остановит от побега. даже свет.

Однако на протяжении десятилетий большинство физиков и астрономов считали такую ​​идею просто математическим любопытством. Только в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер и его коллеги предсказали, что массивная звезда действительно может схлопнуться в точку.

Эта идея получила удар в руку с открытием Джоселин Белл Бернелл в 1967 году пульсаров – плотных вращающихся нейтронных звезд – которое доказало существование чрезвычайно плотных и компактных объектов. С тех пор астрономы накопили множество косвенных доказательств существования черных дыр, основанных на их гравитации.Астрономы обнаружили двойные системы, такие как Cygnus X-1, где звезда вращается вокруг невидимого, более плотного объекта, который, кажется, поглощает материал от своего звездного партнера.

Дополнительные доказательства были получены в результате исследований Sgr A *. За последние пару десятилетий наблюдения за горсткой звезд на узких и быстрых орбитах не оставляют места для чего-либо, кроме сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, масса которой примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца.

Наиболее убедительные доказательства были получены в 2015 году, когда Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром обнаружила рябь в пространстве-времени, возникшую в результате катастрофического слияния двух черных дыр.Однако с сегодняшним объявлением астрономы наконец получили визуальные доказательства. «Я всегда хотел увидеть эту чертову штуку», – говорит Фальке.

Будущие наблюдения EHT могут пролить дополнительный свет на природу черных дыр. Команда надеется измерить спин и магнитную поляризацию черных дыр. В M87 *, более прожорливой и активной черной дыре, чем Sgr A *, команда смогла узнать о механизме, который ускоряет струи материала из полюсов черной дыры, как лучи из маяка.Сера Маркофф, член команды EHT и астрофизик-теоретик из Амстердамского университета, отмечает, что M87 * также является «активным галактическим ядром», светимость которого увеличивается и уменьшается по мере того, как оно поглощает материю. «Нам просто повезло», – говорит она. «Если бы он вспыхивал, мы могли бы увидеть что-то совсем другое, и это могло бы заблокировать тень».

Кампания команды в 2018 году в основном провалилась из-за плохой погоды. В этом году наблюдения были прекращены из-за того, что несколько телескопов не работали.Но в следующем году наблюдения должны включать новые телескопы, и они также начнут вести наблюдения на более коротких длинах волн, что должно давать более четкие изображения, говорит Доулман. «Мы сможем расширить это изображение этой тени до того места, где она соединяется с этим самолетом».

Астрономы, не входящие в группу EHT, будут стремиться к неожиданным открытиям, которые могут указывать на теоретические прорывы. Когда его спросили о результатах команды, Ави Лоеб, директор инициативы Black Hole Initiative в Гарвардском университете, сказал, что больше всего удивлен отсутствием сюрпризов.Десять лет назад он помог смоделировать M87 *, и, по его словам, его изображения были очень похожи на сегодняшние EHT. Несмотря на это, говорит он, результат команды – важная веха. «Изображение стоит тысячи слов, а увидеть – значит поверить», – говорит он. «Итак, мы прибили карту черной дыры».

С дополнительными сообщениями Адриана Чо и Денниса Нормила.

сингулярностей могут существовать вне черных дыр – в других вселенных

Черные дыры часто описываются как опасные деструктивные сущности, которые никогда не отказываются от того, что попадает в их руки.Но что, если черные дыры защищают нас от непредсказуемых воздействий мест, где нарушается наше физическое понимание Вселенной? Этот вопрос может показаться легкомысленным, но на самом деле он лежит в основе многолетней физической головоломки, известной как «космическая цензура», и исследователи, возможно, наконец-то близки к ответу.

Внутри черных дыр заканчивается известная нам физика. Наша текущая теория гравитации, общая теория относительности Эйнштейна, предсказывает собственную неудачу в точках пространства-времени, называемых «сингулярностями».Согласно уравнениям, в этих точках гравитационные поля ведут себя непредсказуемо, часто усиливаясь до невероятно, бесконечно высоких уровней, где сами уравнения не могут описать то, что происходит.

Основополагающие принципы физики требуют, чтобы реальный физический мир продолжал иметь смысл внутри черных дыр. Они склонны интерпретировать это нарушение математики как означающее, что некоторая еще неизвестная физика, которая, вероятно, включает квантовую механику, берет верх около сингулярностей.Но пока они не найдут теорию, объединяющую гравитацию и квантовую физику, невозможно узнать, что именно происходит в этих точках.

К счастью, поскольку сингулярности скрыты внутри черных дыр, нам не нужно беспокоиться об их потенциально причудливом воздействии на внешний мир. Но что, если эти особенности могут проявиться снаружи – сами по себе? Последствия могут быть огромными. Поскольку у нас еще нет полной теории для описания того, что происходит в сингулярностях, мы не можем доверять истории, которую нам рассказывает общая теория относительности.«Голые сингулярности приводят к потере предсказательной силы общей теории относительности», – говорит Йен Чин Онг, физик из Университета Янчжоу в Китае, изучавший природу сингулярностей в теориях гравитации.

В 1960-х годах британский физик Роджер Пенроуз занимался математикой черных дыр и сингулярностей, за которые позже он получил Нобелевскую премию по физике 2020 года. В то время никто не обнаружил убедительных доказательств того, что уравнения общей теории относительности могут описывать эти открытые сингулярности в физически разумной Вселенной.Они материализовались только в черной дыре. Пенроуз собрал воедино ключи, которые наводили на предположение – обоснованное предположение, а не надежное доказательство – что общая теория относительности никогда не сделает этого предсказания. Эта гипотеза известна как космическая цензура: каким-то образом математика должна работать так, чтобы природа подвергала цензуре эти «голые» особенности существования.

Космическая цензура – это идея, которая кажется физикам правильной, и большинство полагает, что это так. Хотя исследователи предложили способы обнаружить обнаженные сингулярности – наблюдаемые признаки, которые могли бы отличить их от черных дыр, – астрономы еще не увидели никаких свидетельств их наличия.Тем не менее, по прошествии более чем 50 лет никто не подтвердил и не опроверг предположение Пенроуза.

В первые несколько десятилетий после первой работы Пенроуза теоретические исследования подтвердили идею о сохранении космической цензуры. Затем, в 2010 году, физики Луис Ленер и Франс Преториус использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что внешняя поверхность черных дыр может распадаться на части и оставлять голые сингулярности. Однако трещина имеет любопытный поворот. Это происходит в результате так называемой нестабильности Грегори-Лафламма, которая может происходить только во вселенных с более чем тремя измерениями пространства.Другими словами, такого рода нестабильности, обнаруживающие сингулярность, должны быть невозможны в трех измерениях нашей Вселенной, как это описано в общей теории относительности.

Несмотря на это предостережение, результат все же имеет значение. Взяв этот пример в качестве отправной точки, исследователи могут искать похожие процессы и спрашивать: «Происходит ли что-то подобное в нашей Вселенной?» Если ответ отрицательный, они могут спросить: «Почему бы и нет?» Пау Фигерас, физик из Лондонского университета королевы Марии, говорит, что такой подход не дает полного доказательства, но все же убедителен.«Если этот конкретный процесс – единственный способ нарушить космическую цензуру, – говорит он, – и астрофизические черные дыры не страдают от этого, то это предлагает способ доказать, что гипотеза [Пенроуза] верна в астрофизическом пространстве-времени».

Результат Ленера и Преториуса вызвал новый всплеск интереса к космической цензуре. По словам Фигераса, эта область набрала обороты в последнее десятилетие, во многом благодаря достижениям в области вычислений, которые позволили вычислить, как черные дыры развиваются и, в некоторых случаях, распадаются, чтобы выявить сингулярности.«Дело не только в том, что необходимые компьютеры не были доступны 20 лет назад, – говорит он. «Мы не понимали, как моделировать общую теорию относительности и, следовательно, черные дыры в компьютерах». В результате, говорит он, да, голые сингулярности встречаются чаще, чем ожидалось – во вселенных с дополнительными измерениями.

Фигерас и его коллеги продемонстрировали, например, что голые сингулярности могут проявляться при столкновении черных дыр. Такие столкновения случаются даже в нашем университете. Но исследователи обнаружили, что такие события в нашей Вселенной не приводят к тому же результату – столкновение всегда заканчивается сингулярностью, все еще находящейся внутри черной дыры.